Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ эффективности использования авиационных систем связи при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС 17
1.1. Критерии эффективности использования авиационных систем связи 17
1.2. Анализ рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети, предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли 21
1.3. Анализ эксплуатационных возможностей использования систем связи MB и ДКМВ диапазонов при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС 29
1.4. Анализ эксплуатационных возможностей спутниковых систем связи при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС 42
1.5. Особенности функционирования авиационных систем связи в высоких широтах 53
1.6. Ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи сообщений при УВД с АЗН 55
1.7. Основные результаты и выводы 66
2. Пути повышения эффективности использования авиационных систем связи при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС 68
2.1. Учет вероятностных характеристик информационных потоков при проектировании и испытаниях авиационных систем связи, используемых при УВД 68
2.1.1. Модель связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД 68
2.1.2. Методика расчета вероятностных характеристик информационных потоков при УВД с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД 75
2.2. Пути повышения эффективности использования авиационных систем связи MB и ДКМВ диапазонов при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС 87
2.2.1. Учет вероятностных характеристик атмосферных и индустриальных помех при проектировании и испытаниях авиационных систем связи MB и ДКМВ диапазонов 87
2.2.2. Оптимизация обработки информации в авиационных системах связи ДКМВ диапазона в условиях авроральных возмущений ионосферы в высоких широтах 103
2.2.3. Оптимизация обработки информации в авиационных системах связи MB и ДКМВ диапазонов при работе в условиях комплекса разнородных помех 107
2.3. Пути повышения эффективности использования спутниковых систем связи при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС 112
2.3.1. Совершенствование дисциплины обслуживания с учетом приоритета сообщений в спутниковых системах связи, используемых при УВД 112
2.3.2. Повышение достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи путем рационального выбора рабочих частот и использования помехоустойчивого кодирования 118
2.3.3. Перераспределение связных ресурсов спутниковых систем связи с учетом корреляции интенсивностеи воздушного движения в различных зонах УВД 125
2.4. Уменьшение задержки передачи данных при УВД с АЗН и корректирующей информации в СРНС путем оптимизации по быстродействию систем синхронизации используемых средств связи 129
2.5. Основные научные результаты и выводы 137
Заключение 140
Список использованных источников 143
- Анализ рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети, предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли
- Ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи сообщений при УВД с АЗН
- Методика расчета вероятностных характеристик информационных потоков при УВД с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД
- Оптимизация обработки информации в авиационных системах связи MB и ДКМВ диапазонов при работе в условиях комплекса разнородных помех
Введение к работе
Актуальность работы. Одним из основных средств радиотехнического обеспечения полетов воздушных судов (ВС) являются авиационные системы связи (АСС). При этом воздушная авиационная связь обеспечивает взаимодействие экипажей ВС и диспетчерского состава служб движения систем управления воздушным движением (УВД), а наземная авиационная связь - взаимодействие диспетчерских пунктов систем УВД и управление производственной деятельностью других служб гражданской авиации (ГА).
Роль АСС существенно возрастает при переходе на перспективную технологию УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), рассматриваемым в рамках принятой ИКАО концепции реализации функций связи, навигации и наблюдения при УВД (CNS/ATM) в качестве перспективного средства реализации функции наблюдения, осуществляемого при традиционной технологии УВД средствами радиолокации. При этом в качестве перспективного средства реализации функции навигации рассматривается аппаратура потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), высокоточная навигационная информация от которой в автоматическом режиме передается по каналам связи в центр УВД.
Роль АСС возрастает также в связи с имеющей место тенденцией расширения функций СРНС, первоначально предназначенных для обеспечения трассовой навигации, в частности использования их для обеспечения посадки ВС, предполагающего создание функционального дополнения СРНС в виде дифференциальной подсистемы (ДПС) для передачи корректирующей информации от контрольно-корректирующей станции (ККС) к АП СРНС по каналам АСС.
Интегрирование ГА РФ в международную ГА делает актуальной разработку новых подходов к построению АСС в рамках принятой ИКАО концепции создания глобальной коммуникационной сети (ATN), предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли. При этом наряду с использованием средств связи метрового (МВ) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов и вторичной радиолокации (ВРЛ) предполагается широкое использование спутниковых систем связи (ССС), обеспечивающих большую рабочую зону и возможность оперативного перераспределения связных ресурсов.
С учетом высоких требований к достоверности и оперативности передачи при УВД и в ДПС СРНС информации, непосредственно влияющей на безопасность полетов ВС и подверженной «старению», необходимы анализ факторов, влияющих на помехоустойчивость используемых средств связи по отношению к комплексу воздействующих на них радиопомех и на задержку передаваемых сообщений, и разработка методов, ослабляющих это влияние.
Поскольку интенсивность радиообмена (ИР) при УВД и соответственно потребность в связных ресурсах зависят от интенсивности воздушного движения (ИВД), изменяющейся случайным образом, необходима разработка методик, позволяющих рассчитывать объемы связных ресурсов, необходимые и достаточные для обслуживания воздушного движения в зоне УВД с гарантированной вероятностью, и оперативно перераспределять их между зонами УВД с учетом реальной потребности в них, что технически возможно при использовании ССС. При этом с учетом высокой стоимости аренды каналов ССС необходима выработка рекомендаций по выбору дисциплин обслуживания, обеспечивающих минимум необходимых каналов при приемлемых характеристиках достоверности и оперативности передачи сообщений с различными приоритетами.
Рассмотрению указанного круга вопросов посвящена настоящая диссертация, что определяет актуальность проводимых в ней исследований.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов определения потребности в связных ресурсах и их перераспределения при управлении воздушным движением переменной интенсивности и повышение эффективности использования авиационных систем связи путем совершенствования алгоритмов обработки информации и дисциплин обслуживания.
Для достижения поставленной цели необходимо решение задач:
-
Анализ эксплуатационных возможностей использования традиционных и спутниковых систем связи при УВД и передаче корректирующей информации в ДПС СРНС, рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети ATN и анализ ограничений, накладываемых на допустимую задержку передачи сообщений при УВД с АЗН.
2. Разработка модели связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД, методики расчета вероятностных характеристик информационных потоков с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД и алгоритма перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в зонах УВД.
-
Выработка рекомендаций по выбору дисциплины обслуживания при УВД с использованием ССС, обеспечивающей минимум числа необходимых рабочих каналов для передачи сообщений с различными приоритетами.
-
Разработка алгоритмов обработки информации в приемной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) МВ и ДКМВ систем связи, используемых при УВД и для передачи корректирующей информации в ДПС СРНС, адаптированной к характеристикам комплекса помех, характерных для МВ и ДКМВ диапазонов.
-
Разработка способа улучшения динамических характеристик системы синхронизации каналов передачи данных в системах УВД с АЗН и корректирующей информации в ДПС СРНС.
Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории вероятностей, теории случайных процессов и методы математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней проведен системный анализ путей повышения эффективности авиационных систем связи при УВД и разработаны методы определения потребности в связных ресурсах и их перераспределения при УВД переменной интенсивности, базирующиеся на использовании вероятностных характеристик интенсивности радиообмена в зоне УВД и корреляционной связи интенсивности воздушного движения (ВД) в различных зонах.
В работе получены следующие основные научные результаты:
-
Проведен сравнительный анализ эксплуатационных возможностей традиционных и спутниковых систем связи при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС с учетом требований, вытекающих из концепции ИКАО по реализации функций связи, навигации и наблюдения при УВД (CNS/ATM), рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети (АТN), предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли, и особенностей функционирования авиационных систем связи (АСС) в высоких широтах.
-
Предложена модель связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД и получены расчетные соотношения для определения зависимости вероятностных характеристик интенсивности радиообмена от параметров транспортного потока в зоне УВД.
-
Предложен алгоритм перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в различных зонах УВД.
-
Выработаны рекомендации по минимизации числа каналов, необходимых для передачи сообщений при УВД с использованием ССС; проведен сравнительный анализ эффективности различных методов повышения достоверности передачи данных с использованием ССС при УВД в ДПС СРНС.
-
Проведен анализ факторов, определяющих задержку сообщений, передаваемых по каналам АСС при УВД и в дифференциальных подсистемах (ДПС) СРНС, дана оценка влияния задержки при передаче навигационных данных на точность местоопределения маневрирующего ВС при УВД с АЗН и предложен способ улучшения динамических характеристик системы синхронизации канала передачи данных.
-
Предложены алгоритмы обработки информации в МВ и ДКМВ системах связи, используемых при УВД и в ДПС СРНС, адаптированные к характеристикам как аддитивных помех типа атмосферных и индустриальных и узкополосных помех от мешающих радиотехнических средств, так и мультипликативных помех, а также алгоритм моделирования приближенной к реальной помеховой обстановке при полунатурных испытаниях приемной РЭА МВ и ДКМВ систем связи.
На защиту выносятся:
-
Результаты теоретического анализа основных факторов, влияющих на достоверность и оперативность передачи по традиционным и спутниковым каналам связи данных при УВД, включая УВД с АЗН, и корректирующей информации в СРНС при работе в дифференциальном режиме.
-
Модель связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД, методика расчета вероятностных характеристик информационных потоков с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД.
-
Алгоритм перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в различных зонах УВД и рекомендации по выбору дисциплины обслуживания воздушного движения с использованием ССС, обеспечивающей минимум необходимого числа каналов.
-
Квазиоптимальные алгоритмы обработки информации в приемной РЭА систем связи, используемых при УВД и для передачи корректирующей информации в ДПС СРНС, адаптированные к характеристикам комплекса помех, имеющего место при ее эксплуатации; алгоритм моделирования этих помех при полунатурных испытаниях РЭА; результаты теоретического анализа и математического моделирования влияния помех различного вида на эффективность оптимизации обработки и алгоритм оптимизации по быстродействию системы синхронизации связной приемной РЭА.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
выбирать объем связных ресурсов, необходимых для обслуживания воздушного движения с гарантированной вероятностью в условиях изменяющейся интенсивности воздушного движения в зоне УВД путем использования полученных в работе вероятностных характеристик интенсивности радиообмена;
оперативно перераспределять связные ресурсы ССС между зонами УВД в зависимости от потребности в них путем использования корреляционной связи между интенсивностями воздушного движения в различных зонах УВД;
повысить достоверность и оперативность передачи данных по традиционным каналам связи МВ и ДКМВ диапазонов и спутниковым каналам при УВД и в СРНС при работе в дифференциальном режиме за счет совершенствования алгоритмов обработки информации в приемной РЭА;
повысить точность отображения воздушной обстановки у диспетчера при УВД с АЗН за счет повышения точности навигационных определений на ВС и уменьшения задержки при передаче навигационных данных по каналам связи в центр УВД.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас»», в ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический завод» (Управление проектирования ЕС ОрВД и аэродромных комплексов) и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 35-летию МГТУ ГА (Москва, МГТУ ГА, 2006 г.); на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 – летию гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008 г., 2 доклада), и на научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона САКС-2004 (Красноярск, 2004 г.).
Публикации результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 4-х тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованных источников.
Анализ рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети, предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли
Одним из основных средств радиотехнического обеспечения полетов ВС являются авиационные системы связи (АСС), которые в соответствии с Наставлением по связи (НСС ГА-90) [27] делятся на воздушную и наземную связь. Особенностью традиционных средств авиационной связи (к ним относятся, в основном, MB и ДКМВ радиостанции) является то, что они функционируют в определенных зонах ВП и с определенными абонентами.
Основной целью системы УВД является наиболее эффективное использование ВП. Для авиационной транспортной системы наиболее эффективным использованием ВП считается такое, при котором в жестких условиях обеспечения заданного уровня безопасности полетов может быть достигнута наибольшая производительность транспортных авиаперевозок. Для достижения такой глобальной цели необходимо, чтобы все входящие в систему организации ВД (ОрВД) элементы и подсистемы соответствовали ее общему назначению. В рамках принятой ИКАО концепции CNS/ATM, предполагающей глубокую интеграцию средств связи, навигации и наблюдения при решении задач УВД, сюда следует включить и средства навигации. При этом использование наиболее высокоточных из них - СРНС для обеспечения посадки ВС требует комплексирования их со средствами связи, осуществляющими передачу корректирующей информации.
Системы связи выполняют роль коммуникационных ресурсов, которые могут выступать в виде подчиненных подсистем низкого уровня (например, MB и ДКМВ коммуникационные ресурсы) и в виде самостоятельных систем высокого уровня (ССС), коммуникационные ресурсы которых арендуются для обеспечения полетов ВС. Такое представление систем связи при обеспечении полетов определяет и идеологию их использования.
Так, традиционные MB и ДКМВ системы связи используются как закрепленные за отдельными пользователями системы связи, что определяет низкий коэффициент их использования. Использование дорогостоящих ССС с закреплением каналов за пользователями экономически нецелесообразно. Идеология использования ССС основана на многостанционном доступе к системе большого числа абонентов при использовании систем приоритетов, когда пользователи с высоким приоритетом пользуются первоочередным обслуживанием. Практически использование спутниковых коммуникационных ресурсов для обеспечения полетов ВС сводится к распределенному принципу эксплуатации этих ресурсов.
При формулировке основных понятий и критериев эффективности использования систем связи различного вида необходимо учитывать их особенности. Так, поскольку традиционные системы связи являются системами низкого уровня, закрепленными за отдельными пользователями, при разработке критериев эффективности их использования необходимо учитывать критерии эффективности систем высокого уровня, и в первую очередь, безопасность полетов. Арендованные же спутниковые коммуникационные ресурсы, выступая в качестве системы низкого уровня, сами принадлежат системе высокого уровня - ССС.
Говоря об основных понятиях, используемых при анализе качества функционирования АСС, необходимо остановиться, прежде всего, на понятии «эффективность». Обычно «эффективность» определяется как категория, характеризующая производственные отношения, связанные с результативностью использования ресурсов производства.
Аналогичным образом эффективность систем связи часто оценивается только техническими параметрами, в частности заданными ресурсами. Так, в [28] вводятся понятия энергетической и частотной эффективностей. Энергетическая эффективность Р характеризуется отношением скорости передачи і?(бит/с) к отношению сигнал/шум qQ = Pc/ N0, где Рс - мощность сигнала, a N0 - спектральная плотность шума в канале. Частотная эффективность у определяется отношением скорости передачи информации R к используемой полосе частот F. В итоге, каждый из показателей Р =R I q0 и у = R I F достаточно эффективно характеризует какую-то одну из сторон использования заданных ресурсов. В [28] показано, как осуществлять оптимизацию системы по заданным коэффициентам (3 и у.
К сожалению, параметры Р и у не могут в явном виде выражать такие требования, как быстродействие передачи информации или экономические затраты на достижение системой поставленной цели функционирования.
Наиболее полно показатели эффективности систем связи представле ны в [29]. Они разделены на информационные, технические, технико экономические, технико-эксплуатационные и конструктивно технологические. Этот набор показателей характеризует весь цикл созда ния и эксплуатации систем, в то же время отсутствуют показатели, харак теризующие эффективность использования систем связи в целом. Кроме того, эти показатели не связаны непосредственно с функционированием системы УВД. В то же время, системы связи и УВД тесным образом взаимосвязаны. Показатели эффективности использования систем связи при УВД надо искать в плоскости этой взаимосвязи. Такие характеристики как количество ВС в данной зоне УВД, интенсивность их полетов, качество организации УВД (число пересечений и схождений трасс и коридоров и т. п.) существенно влияют на временные характеристики систем связи, их помехоустойчивость, надежность и пропускную способность, а следовательно и на эффективность их использования.
Взаимосвязь показателей функционирования системы УВД и систем связи частично рассматривалась в [3, 30], однако наиболее полно основные характеристики АСС в их взаимосвязи с количественными показателями процессов УВД представлены в [31].
Введем понятие «использование систем связи», которое разобьем на использование традиционных систем связи и использование ССС. Использование традиционных систем связи - это выполнение ими только основных функциональных задач. Такое определение связано с ограниченными возможностями систем и отсутствием коллективного доступа к их ресурсам. Использование ССС - это выполнение ими основных функциональных задач и некоторых фоновых задач не в ущерб основным. Такое понятие процесса «использование» связано с большими потенциальными возможностями ССС при наличии коллективного доступа к их ресурсам.
В приведенных выше определениях процессы, характеризующие использование АСС, зависят от многих противоречивых факторов, в том числе и от структуры ВП. В свою очередь, при разработке структуры ВП стремятся к обеспечению рационального использования ВП в интересах авиации всех ведомств и рационального использования радиотехнических средств навигации и связи [32], под которым понимается наиболее предпочтительное с экономических позиций их использование при выполнении заданных ограничений и требований по безопасности полетов.
Ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи сообщений при УВД с АЗН
Для навигационного обеспечения полетов в высоких широтах на ВС и в РЦ УВД используются все виды связи - от длинноволнового (ДВ) и средневолнового (СВ) до MB диапазонов волн, а также ССС: MB диапазон волн используется для ближней связи в зоне прямой видимости, ССС и ДКМВ диапазон волн — для дальней связи, СВ и ДВ диапазоны радиоволн - для ведения связи в ближней зоне с ВС, оборудованными радиостанциями этих диапазонов волн. Надежная передача информации в условиях влияния неоднородностей ионосферы, тропосферы и подстилающей поверхности Земли, например, передача дифференциальных поправок в АП СРНС, навигационной информации с ВС в РЦ УВД в режиме АЗН и команд ВС из центра управления полетами на борт ВС определяет безопасность полетов в высоких широтах.
Анализ применения командной MB связи [46] свидетельствуют о том, что отсутствует перекрытие этим видом связи районов, прилегающих к Северному полюсу. На континентальных участках маршрутов ВС, пролегающих в высоких широтах, из-за сложного рельефа местности и суровых климатических условий, затрудняющих установку и обслуживание ретрансляторов, а также из-за отсутствия инфраструктуры наземных каналов связи имеются так называемые «мертвые зоны». При этом разрывы связного поля на отдельных участках трассы достигают значительных величин, что не обеспечивает требования непрерывности MB связи.
ДКМВ - связь [46] на выделенных одной дневной и одной ночной частотах в этих регионах неустойчива из-за влияния на отражающие слои ионосферы протонных и электронных высыпаний в периоды магнитных и ионосферных бурь, так называемых авроральных возмущений ионосферы.
Проблема обеспечения непрерывности связи в ДКМВ диапазоне волн может быть решена путем выделения сетки частот между дневной и ночной частотами и реализации адаптивного режима выбора рабочих частот с учетом гелиогеомагнитной обстановки, контролируемой специальными пунктами наблюдения. При этом в целях уменьшения возможности нарушений связи при явлениях полного поглощения радиоволн в высоких широтах (поглощения типа «полярная шапка») ретрансляторы, работающие на частотах, выбранных по адаптивному методу, целесообразно размещать на территории РЦ УВД средних широт.
Для ДКМВ связи, особенно в периоды авроральных возмущений ионосферы, характерно явление так называемого фединга, заключающегося во флуктуациях амплитуды и фазы сигнала, что необходимо учитывать при адаптации средств ДКМВ связи к условиям их эксплуатации.
Возможности ДВ и СВ связи [46], несмотря на более благоприятные условия распространения радиоволн указанных диапазонов в высоких широтах по сравнению с радиоволнами более высоких частот, не могут быть реализованы в полной мере из-за отсутствия мощных авиационных наземных передатчиков. В РЦ УВД на Диксоне, Тикси, Черском эксплуатируются установленные в семидесятые годы пятикиловаттные передатчики морского флота. Используемые в высоких широтах приводные радиостанции ДВ и СВ диапазонов требуют модернизации. Для работы в этих диапазонах волн на отечественных ВС, осуществляющих полеты в высоких широтах, устанавливаются радиостанции типа «Широта - У». На зарубежных ВС радиостанции ДВ и СВ диапазонов вообще отсутствуют.
Низкоорбитальная ССС ГЛОБАЛСТАР и высокоорбитальная ССС ИНМАРСАТ в полной мере не решают проблемы надежной связи в высоких широтах, так как надежная связь системой ИНМАРСАТ обеспечивается лишь до 82 с. ш. [47], а системой ГЛОБАЛСТАР - до 72 с. ш. [48], что связано с загоризонтным либо низким расположением в высоких широтах космических аппаратов (КА) указанных систем. ССС «Космическая связь» имеет характеристики, аналогичные характеристикам ССС ИНМАРСАТ, однако из-за большого числа пользователей системы возможности ее использования для целей УВД ограничены. ССС «Иридиум» [49] в настоящее время снята с эксплуатации в России.
Таким образом, из проведенного рассмотрения можно заключить, что наиболее перспективны с точки зрения обеспечения надежной связи в высоких широтах средства ДКМВ связи при условии проведения организационно - технических мероприятий, обеспечивающих адаптивный режим выбора рабочих частот. При этом приемная аппаратура должна быть адаптирована к работе в условиях федингующего сигнала.
Для обеспечения радиосвязи в режиме передачи данных, необходимого, например, при переходе к перспективной технологии УВД с АЗН, необходима доработка бортовой аппаратуры, заключающаяся во введении в ее состав блоков передачи данных. Находящаяся в эксплуатации бортовая аппаратура MB, ДКМВ, СВ и ДВ — диапазонов: «Ядро», «Микрон», «Арлекин», «Орлан», «Баклан» и «Широта - У» таких блоков не имеет.
Остановимся подробнее на особенностях режима АЗН при УВД, роль которого, как отмечалось выше, будет возрастать с переходом на спутниковые технологии, и ограничениях, накладываемых на задержку в передаче навигационных данных.
Система обеспечения АЗН включает в себя бортовое оборудование ВС (обеспечивает подготовку полученных на борту данных о наблюдении за ВС в приемлемом для органа УВД формате), ЛПД «ВС - Земля» (обеспечивает передачу данных — донесений АЗН с борта ВС контролирующему органу УВД) и наземную аппаратуру пункта УВД (обеспечивает сбор и обработку полученной информации и предоставляет ее диспетчеру в целях определения возможных конфликтов). Сообщения, формируемые при АЗН, подразделяются на основные, расширенные и вспомогательные.
Основные сообщения содержат информацию о текущих широте, долготе и высоте полета и текущем времени и точности определения местоположения ВС. Эти сообщения передаются при реализации УВД автоматически и периодически, причем интервал между сообщениями может варьироваться по требованию службы УВД, но не должен превышать 10 с.
Только по запросу передаются расширенные сообщения, содержащие информацию о дальнейшем ходе полета после принятия соответствующего решения командиром ВС. При этом фиксируется также информация о контрольных точках (промежуточных пунктах маршрута (ППМ)) выбранной трассы полета. Наконец, вспомогательные сообщения содержат информацию об окружающей ВС среде, прежде всего это информация о температуре воздуха и скорости ветра. В табл. 1.7 представлены типы сообщений в режиме АЗН [18]. При этом в качестве примера рассматривается спутниковая ЛПД «ВС — Земля» как наиболее перспективная с точки зрения обеспечения максимально большой рабочей зоны системы.
Методика расчета вероятностных характеристик информационных потоков при УВД с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД
Для оптимизации маршрутизации сообщений при УВД необходимо знание вероятностных характеристик информационных потоков в каналах связи, используемых для передачи этих сообщений, что позволяет более эффективно использовать связные ресурсы путем перераспределения их между пользователями с учетом реальной потребности в них. Интенсивность радиообмена (ИР) при УВД зависит от многих факторов, и в первую очередь, от интенсивности воздушного движения (ИВД). Кроме того, ИР зависит от точности выдерживания курса ВС, определяемой точностными характеристиками навигационного оборудования.
Из сказанного вытекает необходимость комплексного подхода к проблеме совершенствования средств навигации и УВД. При этом актуальной задачей является улучшение взаимодействия средств навигации и УВД. Так, почти 75% времени обслуживания ВС диспетчером УВД тратится на сбор, обработку и передачу информации. При этом значительное число сеансов радиосвязи тратится на уточнение различных параметров полета, которые диспетчер мог бы получить в результате более совершенной обработки имеющейся информации. Совершенствование бортовых средств навигации и повышение их точности позволяет осуществлять в автоматическом режиме или по запросу диспетчера УВД передачу данных о местоположении ВС либо об отклонении действительного местоположения ВС от текущего плана при пролете контрольных пунктов, что особенно актуально для построения автоматизированных систем оперативного УВД, включающего в себя процессы текущего планирования, управления по траектории текущего плана и управления с экстраполяцией [50].
Суммарная эффективность комплекса систем навигации и УВД, под которой понимается вероятность пребывания ВС в пределах установленных границ, соответствующая требуемому уровню безопасности полетов, определяется выражением [53] где Eh Е2 и Ез - соответственно, эффективность функционирования комплекса при нормальной работе систем навигации и УВД, нормальной работе системы УВД и отказе системы навигации и нормальной работе системы навигации и отказе системы УВД; Р# и Рувд - вероятности безотказного функционирования систем навигации и УВД.
Значение L зависит от точности полета по установленной траектории. Полет ВС по маршруту может рассматриваться как стационарный случайный процесс [54], характеристики которого зависят от навигационного оборудования ВС. В [55,56] показано, что где а - среднеквадратическое отклонение ВС от заданной траектории, Р -вероятность нахождения ВС в пределах ± L, принимаемая обычно больше или равной 0,999, Т - время пребывания ВС под управлением диспетчера УВД, примерно равное 30 мин, R\0) - вторая производная коэффициента корреляции «рыскания» ВС относительно заданной траектории при нулевом значении аргумента, типичное значение которой равно -0,075. При использовании наиболее совершенного навигационного оборудования типа устанавливаемого на Ил-62М R {0) = -0,008.
Из приведенного выражения для L следует, что, чем меньше ст, тем меньше L, то есть повышение точности навигационной системы позволяет сократить нормы эшелонирования. В [57] проведен расчет зависимости отношения 2/ ОТ 2L для бокового отклонения ВС от заданной траектории при допустимом уровне безопасности, который характеризуется риском столкновения ВС, определяющим вероятность Р нахождения ВС в пределах ± L и равным согласно нормам ИКАО N = 0,18 х 10" катастроф/летн. час. Результаты расчета представлены на рис. 2.1. При этом предполагается, что радиолокационный контроль со стороны службы УВД отсутствует. Причем, значения ширины воздушной трассы 111 и 222 км соответствуют океаническому району, а 20 км - району суши. В качестве модели «рыскания» ВС при полете по маршруту принята комбинированная модель, нормальная при малых значениях отклонения ВС от заданной траектории и экспоненциальная - при больших отклонениях:
Уменьшение среднеквадратического отклонения ВС от заданной траектории а при фиксированной ширине воздушной трассы 2Х в зоне с наличием радиолокационного контроля со стороны службы УВД уменьшает загрузку диспетчера за счет уменьшения числа выходов ВС за пределы трассы в течение часа, подлежащих ликвидации.
Если учесть, что для обслуживания одного ВС в соответствии с установленной технологией работы диспетчеров КДП необходимо около 2,5 мин, а на ликвидацию выхода одного ВС за пределы трассы - около 1,5 мин, то при характерной для загруженных секторов районных диспетчерских пунктов интенсивности воздушного движения 20 самолетов/час на выполнение обязательных элементов технологии требуется около 50 мин в течение часа. В оставшиеся 10 мин диспетчер может ликвидировать, как это следует из приведенных выше соотношений для пвЬ1Х., не более 6-7 выходов ВС за пределы трассы, что соответствует ее ширине 2а.
Ожидаемое увеличение интенсивности воздушного движения до 24 -25 самолетов/час сократит оставшееся (после выполнения обязательных операций) время диспетчера до 2 - 3 мин, что позволит ликвидировать отклонение от заданной трассы не более чем 1-2 ВС. При этом ширина воздушной трассы должна быть не менее За. Из сказанного следует, что повышение интенсивности воздушного движения делает насущно необходимым повышение точности навигационных систем, обеспечивающих самолетовождение на воздушных трассах. При этом уменьшение числа команд, которые должен дать диспетчер для ликвидации отклонений ВС от заданной трассы, позволит ему уделять больше времени анализу воздушной обстановки, оптимизации регулирования воздушного движения и принятию решений, что приведет к повышению надежности УВД.
Эффективность комплексного использования систем навигации УВД определяется техническими характеристиками обеих систем. В [58] рассмотрен общий подход к решению задачи обеспечения заданных норм эшелонирования средствами навигации и УВД, в рамках которого оптимальный вариант сочетания технических характеристик средств навигации и УВД определяется по минимуму суммарных затрат на их совершенствование при условии обеспечения требуемого уровня безопасности полетов. Сказанное качественно иллюстрируется кривыми, представленными на рис. 2.2.
Оптимизация обработки информации в авиационных системах связи MB и ДКМВ диапазонов при работе в условиях комплекса разнородных помех
Действительно, как известно [71], в схеме «широкополосный ограничитель - узкополосный фильтр» (ШОУ) [72], включающей в себя идеальный ограничитель с нулевым порогом ограничения и узкополосный фильтр и являющейся при слабом сигнале непараметрической для широкого класса аддитивных помех с равномерным распределением фазы, то есть сохраняющей квазиоптимальные свойства независимо от распределения огибающей помехи [72], изменение отношения сигнал / помеха (по мощности), и соответственно дисперсии оценки параметров сигнала, за счет включения в тракт ограничителя характеризуется коэффициентом W{R) - плотность вероятностей огибающей шума, которая в рассматриваемом случае может быть определена из экспериментальных кривых распределения рис. 2.16
Из проведенного рассмотрения можно заключить, что в широком диапазоне частот статистические характеристики атмосферных и индустриальных радиопомех могут быть описаны в рамках единой аналитической модели, представляющей собой комбинацию логарифмически нормальной модели, описывающей преобладающую по мощности импульсную составляющую помехи, и нормальной модели, описывающей ее флуктуационную составляющую, определяющую, в конечном счете, потенциальную помехоустойчивость радиоприемника. При этом относительный уровень флук-туационной составляющей и, соответственно, маскирующая способность выше у индустриальной помехи, что связано, по-видимому, с большей локализацией ее источников.
Проведенное в рамках указанной модели сравнение эффективности оптимального приемника и схемы ШОУ показывает асимптотическую оптимальность последней при Vci -» оо. При этом проигрыш в эквивалентном отношении сигнал/помеха в схеме ШОУ по сравнению с оптимальным приемником при слабом сигнале не превышает — или 1,04 дБ.
Выше показано, что неучет отличия распределения атмосферных и индустриальных помех от нормального на этапах проектирования и испытаний РЭА, работающей в ДКМВ и MB диапазонах волн, приводит к существенному ухудшению качества ее функционирования. В работе предложен сравнительно простой способ моделирования указанных помех при полунатурных испытаниях РЭА.
Известные принципы статистического моделирования негауссовых помех [73] предполагают использование четырехмерного совместного распределения амплитуды и фазы, которое к тому же, как правило, неизвестно, что представляет значительные трудности при их реализации на практике. В данной работе статистическое моделирование квазиимпульсных помех типа атмосферных и индустриальных предлагается производить путем формирования реализации импульсной составляющей помехи на основе распределений длительности выбросов помехи Wa(x) и интервалов между ними W;(x), полученных в рамках аналитической модели квазиимпульсных помех, с последующим заполнением интервалов между выбросами нормальным коррелированным шумом. В качестве аналитической модели импульсной составляющей квазиимпульсной помехи выбрана логарифмически нормальная модель [59], обеспечивающая хорошее совпадение с экспериментальными данными при описании характеристик выбросов атмосферных и индустриальных помех [74] в ДКМВ и MB диапазонах и легко согласующаяся с экспериментальными данными через параметр Vd, характеризующий степень импульсности помехи [38, 43].
Построение имитационной модели квазиимпульсной помехи производится с использованием аппроксимации выбросов огибающей помехи экспоненциальными импульсами (прямоугольными треугольниками в логарифмической системе координат). Основанием для выбора такой аппроксимации является экспоненциальный вид огибающей импульсной характеристики одиночного колебательного контура, используемого обычно в качестве избирательной входной цепи приемника.
Реализация импульсной составляющей помехи формируется в системе координат с логарифмической шкалой по оси ординат путем расстановки на оси времени выбросов огибающей помехи, имеющих вид прямоугольных треугольников по нескольким уровням, статистика пересечения которых (Wd (х), W,{x)) полагается известной. Расстановка производится, начиная с самого верхнего уровня и заканчивая уровнем ближайшим к фоновому с интервалом 8 - 10 дБ. Длительность формируемых реализаций ограничивается лишь объемом памяти используемой при моделировании вычислительной техники. Сказанное иллюстрируется рис. 2.19. Длительность очередного выброса импульсной составляющей помехи Аґ0 на текущем уровне EQ определяется с помощью метода Монте-Карло на основании распределения длительностей W(x) выбросов на данном уровне. Затем производится пересчет этой длительности в длительность импульса At на уровне среднеквадратического отклонения фоновой составляющей помехи Сф по формуле:
