Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ эффективности использования авиационных систем связи при УВД 12
1.1. Критерии эффективности использования авиационных систем связи 12
1.2. Анализ эксплуатационных возможностей традиционных средств связи при УВД 16
1.3. Анализ эксплуатационных возможностей спутниковых систем связи при УВД 27
1.4. Ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи навигационных данных при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 37
1.5. Основные результаты и выводы 49
2. Пути повышения эффективности использования авиационных систем связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 50
2.1. Минимизация необходимого числа рабочих каналов передачи сообщений с различными приоритетами с использованием спутниковых систем связи 50
2.2. Методы повышения достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 55
2.3. Оценка эффективности использования помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи данных по MB и ДКМВ каналам связи систем УВД с автоматическим
зависимым наблюдением 62
2.4. Уменьшение ошибок местоопределения ВС при УВД с автоматическим зависимым наблюдением путем совершенствования системы синхронизации канала передачи навигационных данных и совместной обработки связного и навигационного сигналов 73
2.5. Основные результаты и выводы 85
3. Методы повышения точности отображения воздушной обстановки и повышения эффективности принятия решений по устранению конфликтных ситуаций при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 88
3.1. Оценка точности отображения воздушной обстановки традиционными средствами при УВД в отсутствие Стр. радиолокационного контроля 88
3.2. Математические модели систем контроля воздушной обстановки при УВД в отсутствие радиолокационного контроля 100
3.3. Способы повышения точности отображения воздушной обстановки при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 109
3.4. Повышение эффективности принятия решений по устранению конфликтных ситуаций при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 121
3.5. Основные результаты и выводы 125
Заключение 127
Список использованных источников 130
- Анализ эксплуатационных возможностей традиционных средств связи при УВД
- Ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи навигационных данных при УВД с автоматическим зависимым наблюдением
- Методы повышения достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением
- Математические модели систем контроля воздушной обстановки при УВД в отсутствие радиолокационного контроля
Введение к работе
Актуальность проблемы. Основными и важнейшими задачами системы управления воздушным движением (УВД) являются задачи обеспечения безопасности, экономичности и регулярности воздушного движения [1 - 3]. Их решение обеспечивается на этапах организации, планирования и непосредственного УВД [1], в котором принимает участие такое звено контура УВД как человек. Эффективность непосредственного УВД в значительной степени определяется эффективностью принятия решения (ПР) диспетчером УВД [3 - 7]. Принятие решения диспетчером УВД обеспечивается с помощью средств радиолокационного (РЛК) и процедурного контроля (ПК) воздушного движения (ВД) [8].
Недостатками РЛК являются его высокая стоимость, невозможность 100%-го перекрытия воздушного пространства, а иногда и отсутствие экономической целесообразности такого перекрытия, относительно невысокая надежность средств РЛК: возможность их полного или частичного отказа и возможность появления ложных меток воздушных судов (ВС) [4, 8 - 13]. Это делает невозможным обеспечить абсолютную надежность РЛК и обуславливает необходимость перехода на перспективную технологию УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), при которой навигационная и другая необходимая для осуществления УВД информация по каналам связи передается в центр УВД.
Следует добавить, что система УВД России функционирует в условиях, которые существенно отличаются от условий функционирования УВД в Европе и США. Этими особенностями являются огромная территория нашей страны, высокая стоимость обслуживания средств радиолокации, навигации и связи в удаленных регионах, а также низкая интенсивность ВД в ряде регионов. Поэтому, если в развитых странах мира с высокой плотностью ВД воздушное пространство перекрыто радиолокационным контролем до трех крат и более, то в России обеспечить многократное перекрытие воздушного пространства радиолокационным контролем невозможно по экономическим соображениям [8]. Сеть воздушных трасс (ВТ) России перекрыта полем первичных РЛС на 94 и 90% на высотах 6000 и 10000 м и только на 28% - полем вторичных радиолокаторов (ВРЛ). В регионах Сибири и Дальнего Востока, а также в районах прохождения транссибирских маршрутов международных ВТ имеются значительные (до 800 км) участки, не охваченные радиолокационным контролем [8]. При этом многие радиолокаторы России выработали свой ресурс. Все это делает радиолокационный контроль в воздушном пространстве России менее надежным, чем в развитых странах мира и обуславливает необходимость использования систем УВД с АЗН.
Вместе с тем, в соответствии с прогнозом ИКАО развития воздушного транспорта до 2010 г. объем мировых перевозок, измеряемый в пассажиро-
километрах, будет возрастать в среднем ежегодно на 4,5%. [14].
В соответствии с данными Главного Центра (ГЦ) планирования и регулирования потоков ВД в 20 секторах районных центров (РЦ) России ожидается появление критических, а в 400 секторах - предкритических ситуаций [15]. При этом под критической понимается ситуация, когда загруженность секторов превышает «предельно допустимое количество ВС в час», а под предкритической - «допустимое количество ВС в час».
В некоторых секторах РЦ России в часы пик наблюдается до 15 - 20 ВС на связи одновременно. Однако диспетчерский график, который используется почти во всех РЦ России, не обеспечивает безопасность ВД при загруженности диспетчера более чем 4-8 ВС [16]. Все это свидетельствует об острой необходимости разработки систем УВД с АЗН, технические предпосылки к широкому внедрению которых в гражданскую авиацию (ГА) созрели в связи с появлением высокоточных средств навигации ВС - спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США).
При этом отечественная СРНС ГЛОНАСС при работе по открытому коду пониженной точности (ПТ) при полностью развернутой орбитальной группировке из 24-х КА обеспечивает глобальную навигацию ВС с максимальной погрешностью (с доверительной вероятностью 0,95, что соответствует двум значениям среднеквадратической ошибки (СКО)) определения координат, в плане (горизонтальной плоскости): 60 м в годы максимальной солнечной активности и 30 м - в годы минимальной солнечной активности, и по высоте: 100 м и 50 м, соответственно. Погрешности навигационных определений в СРНС GPS примерно в 1,5 раза выше, чем в СРНС GPS [18].
Функциональные возможности СРНС, в том числе и применительно к решению задач УВД с АЗН, существенно возрастут в связи с планируемым в 2007 году открытием для гражданских пользователей кода высокой точности (ВТ) СРНС ГЛОНАСС, обуславливающего более высокие по сравнению с кодом ПТ точности местоопределения ВС.
Следует отметить, что, если вопросы построения навигационного сегмента системы УВД с АЗН достаточно подробно освещены в литературе [17 - 22], то вопросы построения связного сегмента, имеющего важное значение, в особенности для систем УВД с АЗН, менее проработаны и поэтому требуют проведения дополнительных исследований. Воздушная авиационная связь, предназначенная для взаимодействия экипажей и диспетчерского состава УВД, замыкает контур УВД по линии «диспетчер - ВС». Ее ухудшение приводит к увеличению загрузки диспетчера, что может приводить к снижению безопасности полетов. Наземная авиационная связь предназначена для обеспечения взаимодействия диспетчерских
пунктов службы движения и управления производственной и технологической деятельностью других служб ГА.
В настоящее время на этапе проектирования системы связи рассчитываются на худшие условия использования: максимальную интенсивность воздушного движения (ИВД) и продолжительность обслуживания, превышающую среднее значение, что гарантированно обеспечивает требования по безопасности полетов ВС. Однако в реальных условиях эксплуатации наихудшие условия бывают кратковременными. Имеющуюся функциональную избыточность можно рассматривать как резерв для повышения эффективности систем связи.
Особо остро эта проблема стоит для дорогостоящих спутниковых систем связи (ССС), представляющих особый интерес для систем УВД с АЗН в силу возможности обеспечения с их помощью большой рабочей зоны. Дело в том, что существующие каналы радиосвязи метрового (MB) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов являются индивидуальными для определенных абонентов и повышение эффективности их использования касается, в первую очередь, этих абонентов. Другая картина наблюдается в ССС. Являясь коллективными средствами связи, при освобождающихся ресурсах они могут быть использованы для других целей. При этом ССС обладают важным свойством - возможностью перераспределения связных ресурсов в зависимости от потребности в них, определяемой на основании прогноза информационного обмена с учетом динамики изменения ИВД; наличия традиционных средств связи и других эксплуатационных факторов [23, 24].
Таким образом, с появлением ССС проблему повышения использования связных ресурсов при обеспечении полетов ВС необходимо рассматривать для отдельной зоны воздушного пространства или целого региона.
Основной сферой применения спутниковых систем в ГА является обеспечение международных полетов ВС, полетов в полярных районах на местных воздушных линиях (МВЛ) и использование их при проведении специальных работ с применением авиации [25]. По крайней мере, на начальном этапе внедрения ССС в ГА они будут примеряться совместно с традиционными средствами связи.
Эффективность комплексного использования традиционных и перспективных средств связи определяется рациональным разделением между ними функций в зависимости от эксплуатационных факторов, характерных для конкретных зон воздушного пространства. Так как основными функциями средств связи являются обеспечение связи и наблюдения за ВС, эффективность их функционирования удобно оценивать точностью выдерживания ВС заданной траектории полета.
При передаче сообщений по каналам авиационной связи установлены допустимые задержки передачи для разных категорий сообщений. В частности, для аварийных сообщений и сообщений по тактическому УВД - 1 с, для сообщений
по стратегическому УВД - 5 с, для сообщений по регулярности полетов - 10 с, для метеосообщений несрочного характера - 30 с. Допустимые задержки передачи связаны с необходимой точностью выдерживания траекторий полета, в основном, при передаче управляющих сообщений, обеспечивающих своевременное предотвращение выхода ВС за пределы трассы.
Функции наблюдения за ВС по точности выдерживания траекторий полета для традиционных систем связи связаны с передачей речевых сообщений, а для спутниковых систем, в первую очередь, с внедрением режима АЗН.
К системам связи, используемым при УВД с АЗН, наряду с требованием по минимизации задержки в передаче сообщений типа навигационных данных, передаваемых с борта ВС в центр УВД, связанным с тем, что их «старение» приводит к искажению наблюдаемой диспетчером воздушной обстановки (ВО), предъявля-ется повышенное требование по достоверности передаваемых данных. Последнее требование обусловлено тем, что их искажение может служить предпосылкой к летному происшествию и, следовательно, к снижению безопасности полетов. При этом требования по минимизации задержки в передаче сообщений и повышения их достоверности, в известной степени, противоречивы, поскольку, например, использование для повышения достоверности передаваемых сообщений систем с «переспросом» приводит к увеличению задержки в передаче сообщений.
Возможности АЗН в части разрешения потенциально конфликтных ситуаций (ПКС) при УВД расширяются при переходе от вещательного АЗН (АЗН-В) к адресному (АЗН-А), при котором по запросу диспетчера в центр УВД может передаваться дополнительная информация от экипажей конфликтующих ВС. В этой связи представляет интерес рассмотрение вопросов, касающихся содержательной стороны передаваемых сообщений. Тем более что внедрение в авиационную практику спутниковых средств навигации позволяет расширить вектор наблюдения путем включения в него помимо координат ВС в трехмерном пространстве составляющих его скорости по этим координатам. Кроме того, аппаратура потребителей (АЛ) GPHC может служить датчиком точного времени [26].
Важное значение при УВД с АЗН имеют вопросы совершенствования способов отображения данных о воздушной обстановке (ВО) у диспетчера УВД, переданных по каналам связи с ВС, находящихся в зоне УВД.
Следует отметить, что проблемы достоверного отображения информации о ВО при УВД с АЗН в значительной степени перекликаются с общими проблемами процедурного контроля (ПК) при УВД. Используемые при ПК способы отображения ВО ориентированы, в основном, на традиционную технологию УВД и ручные методы ввода информации [27]. В настоящее время созрели технические предпосылки для разработки средств отображения информации о ВО при УВД на
основе современной компьютерной техники и современного программного обеспечения. В то же время такая разработка невозможна без разработки методологической базы их создания, учитывающей возможности, открывающиеся в связи с внедрением в авиационную практику спутниковых технологий, в частности высокоточных средств спутниковой навигации, предоставляющих экипажу ВС расширенный вектор определяемых навигационных параметров, и средств спутниковой связи, позволяющих получать необходимую для УВД информацию от смежных зон УВД. Кроме того, необходим учет имеющей место тенденции к интегрированию средств связи, навигации и наблюдения при УВД в рамках концепции Международной организации гражданской авиации (ИКАО) CNS/ATM [28].
Из теоретических работ, посвященных вопросам совершенствования средств отображения информации-при УВД на основе современных информационных технологий следует отметить работы [29 - 31]. Недостаточная теоретическая проработка вопросов адекватного отображения информации, предоставляемой диспетчеру УВД, может сказаться на эффективности его деятельности и эффективности УВД в целом с точки зрения обеспечения требуемого уровня безопасности полетов [31, 33].
В настоящее время разработчиками систем УВД России делаются попытки разработать средства отображения информации при УВД, базирующиеся на использовании компьютерной техники. Так, в Волгоградском РЦ Единой системы организации ВД (ЕС ОрВД) установлено устройство комплексного преобразования и отображения информации «Строка - Ц», разработанное ОАО «РИМАР» (г. С.-Петербург). Что касается зарубежного опыта, то известная форма «Томпсон» для решения задач ПК разработала электронные стрипы, представляющие собой изображения обычных бумажных стриповна экране. Однако они не позволяют осуществлять УВД при отказе радиолокатора, то есть, по сути, не выполняют свою основную функцию. Аналогичным образом, поскольку в системе отображе-> ния «Строка - Ц» информация о воздушной обстановке в зоне УВД представлена \ в виде электронного диспетчерского графика, эта система обладает всеми его недостатками: низкой точностью отображения ВО, сложностью ввода и считывание информации и др.
\ Рассмотрению перечисленного круга вопросов и поиску путей повышения
эффективности систем УВД, и в первую очередь, систем УВД с АЗН, за счет совершенствования методов и средств передачи и отображения информации, поступающей диспетчеру, и посвящается настоящая диссертация, что обуславливает актуальность ее темы.
Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов повышения эффективности систем УВД с автоматическим зависимым наблюде-
нием путем совершенствования методов и средств передачи и отображения навигационной информации, передаваемой в центр УВД.
Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:
Анализ эксплуатационных возможностей традиционных и спутниковых средств связи при УВД.
Разработка методов повышения достоверности и оперативности передачи навигационных данных по MB, ДКМВ и спутниковым каналам связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН).
Анализ точности отображения воздушной обстановки традиционными средствами при УВД в отсутствие радиолокационного контроля.
Разработка методов повышения точности отображения воздушной обстановки и эффективности принятия решений по устранению конфликтных ситуаций при УВД с АЗН.
Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории вероятностей, теории случайных процессов, теории оптимальной нелинейной фильтрации и методы математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ путей повышения эффективности систем УВД с АЗН путем совершенствования методов и средств передачи и отображения навигационной информации.
В работе получены следующие основные научные результаты:
Проведен анализ факторов, влияющих на задержку навигационных данных, передаваемых при УВД по традиционным каналам связи MB и ДКМВ диапазонов или спутниковым каналам, и дана оценка влияния этой задержки на точность отображения информации о воздушной обстановке при УВД с АЗН.
Получены оценки эффективности оптимизации алгоритмов обработки использования методов помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи навигационных данных при УВД с АЗН по традиционным и спутниковым каналам связи с учетом вероятностных характеристик помех в указанных каналах и выработаны рекомендации по минимизации числа рабочих каналов при передаче сообщений различной приоритетности с использованием спутниковых систем связи (ССС).
Предложены способы уменьшения дополнительной погрешности место-определения ВС при УВД с АЗН, связанной с задержкой передачи навигационных данных в центр УВД, основанные на оптимизации по быстродействию системы
синхронизации канала передачи данных и ее навигационной поддержке от аппаратуры потребителей (АП) навигационной системы.
4. Разработаны математические модели системы отображения воздушной обстановки при УВД в отсутствие радиолокационного контроля, учитывающие нелинейность закона движения ВС и случайные воздействия на него, и предложены способы повышения точности отображения воздушной обстановки и эффективности принятия решений по разрешению потенциально конфликтных ситуаций при УВД с АЗН с использованием высокоточного определения координат ВС и составляющих его скорости по спутниковым радионавигационным системам (СРНС) типа ГЛОНАСС и GPS.
На защиту выносятся:
Результаты теоретического анализа основных факторов, влияющих на достоверность и оперативность передачи навигационных данных по традицион-ным и спутниковым каналам связи и отображению воздушной обстановки при УВД с АЗН.
Результаты математического моделирования влияния помеховых воздействий различного вида на эффективность оптимизации обработки и использования помехоустойчивого кодирования в каналах передачи навигационных данных при УВД с АЗН.
Способы повышения достоверности и оперативности передачи навигационных данных, точности отображения воздушной обстановки и эффективности принятия решений по разрешению конфликтных ситуаций при УВД с АЗН.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
повысить достоверность передачи навигационных данных по традиционным каналам связи MB и ДКМВ диапазонов и спутниковым каналам при УВД с АЗН путем оптимизации обработки сигнала с учетом вероятностных характеристик помех в каналах связи и использования методов помехоустойчивого кодирования информации;
уменьшить дополнительную погрешность местоопределения ВС при УВД с АЗН, обусловленную задержкой передачи навигационных данных в центр УВД, путем совместной обработки сигналов в связном и навигационном каналах и оптимизации по быстродействию системы синхронизации связного канала;
повысить точность отображения воздушной обстановки и принятия решений по разрешению потенциально конфликтных ситуаций при УВД с АЗН путем использования данных высокоточных навигационных определений ВС по СРНС;
- повысить безопасность полетов ВС за счет повышения достоверности и оперативности передачи навигационных данных, точности отображения воздушной обстановки при УВД с АЗН.
Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас» 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., 3 доклада) и 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.).
Публикации результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 10-ти статьях и 4-х тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников.
Диссертация содержит 138 страниц текста, 53 рисунка, 11 таблиц и библиографию из 126 наименований.
*
Анализ эксплуатационных возможностей традиционных средств связи при УВД
Эффективность использования АСС при обеспечении полетов ВС зависит от многих факторов. Прежде всего, она зависит от эксплуатационных возможностей систем, определяемых их техническими и тактическими параметрами и эффективностью их применения. На процесс использования систем связи оказывают влияние и условия их эксплуатации, которые могут существенно отличаться для разных регионов страны и авиатрасс. Различие наблюдается и в оснащенности авиатрасс другими средствами обеспечения полетов. С учетом этих особенностей проведем анализ эффективности использования АСС.
К традиционным АСС обеспечения полетов ВС относятся системы с использованием MB и ДКМВ радиоканалов и система обмена данными (СОД) MB диапазона. Образованная с помощью этих систем авиационная воздушная связь" отличается от радиосвязи в других областях ее применения такими особенностями как оперативность и кратковременность сеансов связи, высокая интенсивность и быстрое изменение воздушной обстановки, вероятность вступления в связь в любой момент времени, необходимость быстрой реакции абонентов (экипажа и диспетчеров) на передаваемые команды.
Системы MB радиосвязи Системы MB радиосвязи в диапазоне 118 - 136 МГц составляют основу авиационной воздушной связи, которая организуется в соответствии с требованиями системы УВД и принципами организации воздушного пространства (ВП). Для обеспечения нормального функционирования системы УВД ВП разбивается на районы и зоны, а в каждой из них на секторы в горизонтальной и в вертикальной плоскостях. В каждом секторе радиообмен осуществляется на отдельной выделенной частоте. В современном аэроузле число действующих в MB диапазоне каналов связи может составлять несколько десятков. По мере совершенствования ВС все более загруженными становятся эшелоны верхнего ВП. Из этого следует, что система связи УВД современного аэроузла поличастотна. Повторение частот в других зонах УВД увеличивает вероятность появления взаимных помех.
В соответствии с требованиями Hi ill ГА-85 [40] надежная связь должна обеспечиваться не только в пределах прямой видимости (зоны районного центра (РЦ)), но и на предельных расстояниях, например в расширенных зонах диспетчерского пункта подхода (Д1Ш) и за пределами прямой видимости местного диспетчерского пункта (МДП)). Все это приводит к необходимости установки ретрансляционных пунктов, расширяющих возможности стационарных пунктов MB радиосвязи.
Система авиационной MB радиосвязи является сложной системой, которую характеризуют следующие особенности: - в системе происходит радиообмен подвижных абонентов - ВС, занимающих различные высоты полета и имеющих различные направления и скорости движения; - в системе одновременно присутствует случайное число абонентов; - разноудаленные абоненты в пределах зоны обслуживания должны обеспечиваться надежной связью, что обусловливает большой динамический диапазон сигналов и избыточность объема информации; - система связи не приспособлена к адаптации в изменяющихся условиях; - рост ИВД приводит к увеличению интенсивности связи, что, в свою очередь, приводит к существенному снижению качества передачи речи. Качество передачи речевых сообщений оценивается разборчивостью. Как отмечается в [41], в 10% от общего числа связей имеют место переспросы, из которых 76,3% связаны с техническим состоянием канала связи и 21,1% - с условиями работы диспетчерского и летного составов.
В условиях современного аэропорта, располагающего большим числом одновременно работающих радиосвязных каналов, сильное влияние на качество функционирования систем связи оказывают взаимные помехи, а также индустриальные помехи, характерные для крупных городов и промышленных центров.
Таким образом, эксплуатационные возможности MB систем связи ограничены и определяются, в основном, прямой видимостью и высоким требуемым уровнем напряженности электромагнитного поля в точках приема, который для бортовых и наземных радиостанций составляет, соответственно, 75 мкВ/м и 20 мкВ/м [42]. При этом эффективность приема информации во многом зависит от помеховой обстановки, в которой находятся абоненты. Системы ДКМВ радиосвязи Определяющим моментом в системах ДКМВ радиосвязи является их назначение. В структуре авиационной связи они используются исключительно для обеспечения дальней связи между ВС и диспетчерскими пунктами, а также связи между разнесенными диспетчерскими пунктами.
Основным недостатком дальнего распространения декаметровых волн, основанном на их отражении слоями ионосферы, является сильная зависимость условий распространения от состояния среды, отличающейся неустойчивостью из-за сильной ионизации атмосферы, особенно в высоких широтах. Все это и определяет роль ДКМВ радиосвязи, как резервной по отношению к MB связи и основной для труднодоступных регионов страны, где последняя отсутствует.
Для обеспечения дальней связи коммуникационные ресурсы ДКМВ радиосвязи должны отличаться большой мощностью передающих устройств, хорошей чувствительностью приемных устройств, высокой стабильностью частоты используемых синтезаторов частот. Мощность бортовых передающих устройств ДКМВ диапазона в зависимости от вида работ может доходить до нескольких сот ватт, а наземных - до нескольких киловатт.
Чувствительность приемных устройств в ДКМВ радиосвязи может быть менее 1 мкВ. Для обеспечения хорошей чувствительности используются однополосные виды модуляции, особенностью которых являются высокие требования к стабильности частоты сигнала. В соответствии с международными требованиями [42] относительная нестабильность частот в диапазоне 2-30 МГц при однополосной модуляции должна быть не хуже Ы О"6.
Ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи навигационных данных при УВД с автоматическим зависимым наблюдением
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 в приемлемом для органа УВД формате), ЛПД «ВС - Земля» (обеспечивает передачу 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; 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 и скорости ветра.
На рис. 1.7 и в табл. 1.5 представлены, соответственно, структурная схема системы обеспечения АЗН и типы сообщений в режиме АЗН [52]. При этом в качестве примера рассматривается спутниковая ЛПД «ВС - Земля» как наиболее перспективная с точки зрения обеспечения максимально большой рабочей зоны системы. Из табл. 1.5 видно, что большинство сообщений, передаваемых в режиме АЗН, подвержено «старению». Соответственно, задержка при их передаче приводит к снижению точности информации о параметрах движения ВС, содержащейся в основном и расширенном сообщениях.
Точность определения местоположения ВС любым навигационным средствам определяется ошибкой измеренияДх:и. В режиме АЗН информация о местоположении ВС, определенном автономно на борту, передается по каналу связи в центр УВД. Ошибка измерения зависит от точности навигационных средств, их исправности и характера обработки навигационной информации в бортовом пи-лотажно-навигационном комплексе (БПНК). Она носит случайный характер и целиком входит в суммарную ошибку определения местоположения ВС.
Вопрос об анализе точности радионавигационных систем является важной самостоятельной задачей, выходящей за рамки данной работы. Поэтому ограничимся рекомендациями комитета ИКАО FANS [52], согласно которым навигационные комплексы по точности подразделяются на 7 уровней, начиная от точности 56 км для :инерциональных навигационных систем (ИНС) до точности 100 м (с доверительной вероятностью Р = 0,95, что соответствует 2-м СКО) для глобальной навигационной спутниковой системы (CNNS) типа GPS и ГЛОНАСС, на которую, собственно, и ориентирована концепция CNS/ATM.
Вторая группа факторов, влияющих на ошибку АхАЗН, связана с дискретностью передачи информации о местоположении ВС. В центре УВД по переданным дискретным сообщениям путем экстраполяции восстанавливается непрерывная траектория движения ВС. Оценим возникающую при этом ошибку.
Однако в реальных условиях ВС может осуществлять управляемый маневр, а также подвергаться воздействию атмосферных возмущений. Возникающую при этом ошибку в определении местоположения Ахд будем называть динамической, поскольку она определяется динамикой движения ВС. Ошибка Ахд является случайной и зависит от интенсивности и продолжительности управляемого маневра и атмосферных возмущений, а также от периодичности передаваемых сообщений АЗН. При этом динамическая ошибка Ах# будет максимальной в предположении, что ВС сразу после передачи сообщения АЗН осуществит максимально допустимый маневр при наиболее неблагоприятном атмосферном воздействии. При движении ВС ГА по трассе единственным допустимым маневром, не считая смены воздушного эшелона, является горизонтальный вираж, осуществляемый плавным вводом ВС в движение по окружности путем изменения угла крена. При этом максимальная интенсивность виража определяется минимальным радиусом разворота Ro, определяемым, в свою очередь, максимально допустимым углом крена у и максимальной истинной воздушной скоростью Vu [59] :
Из точки А0 ВС осуществляет вираж с максимально допустимым креном у и в момент t\ передачи очередного сообщения АЗН оказывается в точке А При этом возникает динамическая ошибка Ахд, равная расстоянию между точкой Ai и линией экстраполяции, проведенной через точки A _i и А0. Наиболее неблагоприятна ситуация, когда в момент t\ значение угла между осью ВС и линией экстраполяции составляет 90, причем максимум динамической ошибки сохраняется при условии, что в момент t\ движение ВС по окружности с радиусом Ко прекращается и далее оно движется по нормали в сторону от линии экстраполяции. Линия экстраполяции
Другая группа факторов, влияющих на АхАзн, связана с задержкой при передаче сообщений АЗН по каналам связи т3, складывающейся из задержки при распространении сигнала тр; задержки при обработке сообщения в аппаратуре та/1; задержки при анализе %ап, определяемой временем, необходимым диспетчеру центра УВД для и осмысления информации, и задержки при передаче сообщения по сети связи хс, связанной с повторной передачей сообщения при обнаружении ошибок, ожиданием в очереди при перегрузке сети, коммутацией
Наиболее неопределенной является задержка при передаче сообщения по сети связи тс, поскольку она зависит от многих факторов. Так, используемый обычно в каналах передачи данных код БЧХ, обнаруживая ошибки в сообщении, не позволяет их исправить. При этом возникает необходимость в повторной передаче сообщения, что удлиняет задержку на период обновления информации Т, при автоматической передаче сообщений АЗН равную, как отмечалось примерно 10 с. Вероятность такой случайной задержки определяется вероятностью сбоя в сообщении и зависит от помехоустойчивости используемого канала связи. Вероятность возникновения очереди в канале связи при передаче сообщений и длина ее зависят от ИВД, являющейся случайной величиной. Задержка, обусловленная коммутацией сообщений, зависит от типа используемого трафика. Задержка при передаче сообщений по сети может достигать нескольких минут и является наиболее значимой составляющей задержки т3ив целом времени экстраполяции At.
Методы повышения достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением
Достоверность передачи информации является одним из основных параметров качества передачи информации в спутниковых каналах связи. При использовании этих каналов для передачи данных в системах УВД с АЗН необходимо обеспечивать высокую достоверность приема передаваемой информации, поскольку она напрямую связана с безопасностью полетов ВС. Расчет помехоустойчивости приема цифровой информации, количественной мерой которой является вероятность ошибки на бит, позволяет оценить реальную пропускную способность ретранслятора ИСЗ, являющегося наиболее «узким» звеном ССС. При расчете необходимо учитывать ряд факторов, характерных для передачи цифровой информации по ССС, которые существенно влияют на помехоустойчивость приема сигналов.
При частотном уплотнении сигналов в ретрансляторе ИСЗ, применяемом в современных ССС с подвижными объектами, в том числе и в системе ИНМАР-САТ, к таким факторам относятся: - неточность синхронизации, - отражения от подстилающей поверхности, - нелинейность усилителя мощности ретранслятора ИСЗ, - межсимвольная интерференция и межканальная помеха.
Погрешность синхронизации, под которой понимается наибольшее отклонение синхросигналов от их оптимального положения, существенно влияет на достоверность передачи информации. Особо важна поэлементная синхронизация. Определим влияние погрешности синхронизации на вероятность ошибки, например, при регистрации единичных элементов методом стробирования (рис. 2.3). На рисунке изображен единичный элемент длительностью t0 и отмечен оптимальный момент регистрации (MP), совпадающий с серединой единичного интервала.
Таким образом, уменьшение погрешности синхронизации позволяет уменьшить вероятность ошибки. На достоверность передачи цифровой информации в спутниковых каналах связи также оказывают влияние замирания сигнала, вызванные многолучевым распространением радиоволн за счет отражений от подстилающей поверхности.
Нетрудно убедиться, что для диапазона частот, выделенного для связи с ВС через ИСЗ (1,545 - 1,559 ГГц) при углах скольжения более 5 поверхность нельзя считать гладкой.. Многочисленные экспериментальные данные подтверждают, что на указанных частотах преобладающей является диффузная компонента отраженного сигнала. При этом минимальное время задержки между прямым и отраженными лучами составляет величину [69] x = (2#/c)siny, (2.14) где Н - высота полета ВС, с - скорость света.
Для углов скольжения у = 5 - 30, характерных для связи с ВС на территории РФ, величина т даже при больших Н не превышает 20 - 25 мкс. При этом время растяжения сигнала отраженного от земной поверхности, всегдаменьше этого значения и составляет 2-3 мкс [70].
При скорости передачи информации до 10 кбит/с (длительность передачи символа Т 100 мкс) выполняется условие т « Т, вследствие чего влиянием межсимвольной интерференцией, вызванной многолучевостью, можно пренебречь. Кроме того, при передаче информации простыми сигналами замирания носят неселективный характер, поскольку Afc « AfK , где Afc - эффективная полоса частот сигнала, AfK = 1 / т - полоса когерентности замираний, для рассматриваемого диапазона частот превышающая 100 кГц [70].
К основным факторам, снижающим помехоустойчивость и пропускную способность канала связи, следует отнести потери за счет образования нелинейных продуктов. Одним из методов, позволяющих снизить влияние интермодуляционного шума на помехоустойчивость приема информации является применение неравномерной расстановки частот. Наиболее перспективным направлением является разработка алгоритмов квазиоптимальной расстановки частот, позволяющих определить план, при котором удается минимизировать влияние нелинейных продуктов при заранее определенном запасе по полосе. При этом оказывается невозможным полностью избавиться от нелинейных продуктов даже 3-го порядка.
В случае, когда число каналов, используемых для связи с ВС через ИСЗ, относительно невелико, наиболее простым и эффективным алгоритмом является рассмотренный в [71] алгоритм, основанный на минимизации искажений 3-го порядка, производимой с учетом того, что мощность составляющей типа со,- + со,- +шк превосходит мощность составляющей типа 2со,- - со,- примерно на 6 дБ. Возможности этого алгоритма могут быть расширены, если учесть характеристики ретранслятора и уровень его возбуждения. При этом появляется возможность определения квазиоптимальной расстановки частот с помощью данного алгоритма при разноуровневых несущих, что невозможно при алгоритме, рассмотренном в [71].
С использованием метода характеристических функций возможно определение мощности составляющих взаимной модуляции 3-го порядка типа со,- + со,- -со,, и 2со,- - Ю/ при заданных амплитудной характеристике (АХ) нелинейного устройства и характеристике его амплитудно-фазового (АМ/ФМ) преобразования, а также при заданных уровнях несущих частот. Далее эти значения учитываются при расчете интермодуляционного шума в полосе каждой несущей.
Модифицированный алгоритм квазиоптимальной расстановки частот основан на операциях такого устранения из спектра частот некоторых несущих, в результате которого уровень интермодуляционного шума в наиболее зашумлен-ном частотном канале минимален. Далее устраненная несущая устанавливается на новую позицию, обеспечивающую минимум шума в данном канале. Эффективность этого алгоритма была проверена путем проведения расчетов на ЭВМ при аппроксимации АХ нелинейного ретранслятора мягким ограничителем для случаев передачи информации с использованием бинарной фазовой манипуляции (ФМ-2) и минимальной частотной модуляции (МЧМ). При этом расчеты проводились для числа несущих 10, 15 и 20. Полосы частот принимались в 1,5 и 2 раза превышающими полосу частот при плотной расстановке несущих.
Расчеты показали, что при десяти несущих и двукратном запасе по полосе проигрыш в отношении сигнал/шум по сравнению со случаем отсутствия интермодуляционного шума составляет примерно 2 дБ, в то время как без запаса по полосе он составляет 3,5 - 4 дБ. Таким образом, получаемый выигрыш за счет применения квазиоптимальной расстановки частот составляет 1,5-2 дБ. При полуто-ракратном запасе по полосе потери в отношении сигнал/шум составляют 0,3 - 0,5 дБ относительно случая двукратного запаса. Таким образом, даже при не очень большом увеличении полосы частот ретранслятора квазиоптимальная расстановка частот обеспечивает довольно значительный энергетический выигрыш.
Анализ показал, что использование компенсатора улучшает отношение сигнал/шум примерно на 1 дБ, то есть значительно меньше, чем использование неравномерной расстановки частот. Кроме того, при его использовании имеет место ярко выраженный оптимум в зависимости выходного отношения сигнал/шум от уровня ограничения входного сигнала. Это приводит к необходимости достаточно жесткого контроля за мощностью несущих, что не всегда целесообразно. Отсюда можно сделать вывод, что при имеющемся запасе по полосе выгоднее применять квазиоптимальную расстановку частот, обеспечивающую больший энергетический выигрыш и менее критичную к уровню входного сигнала.
Эффективным способом повышения помехоустойчивости приема цифровой информации является применение корректирующих кодов. Их применение в ССС оказывается выгодным по той причине, что в данном случае имеются существенные ограничения в пропускной способности ИСЗ за счет невысокого энергетического потенциала линии связи, особенно в направлении «Земля - ВС», ограниченного выходной мощностью спутникового ретранслятора.
Одними из эффективных кодов являются сверточные коды, характеризуемые длиной кодового ограничения К и относительной скоростью кода RK. Его описывает порождающий многочлен (или кодовый генератор).
Математические модели систем контроля воздушной обстановки при УВД в отсутствие радиолокационного контроля
В общем виде модель отображения ВО может быть представлена в виде некой системы отображения информации (СОИ) Scou , представляющей собой совокупность средств получения и отображения информации о ВО. Рассмотренные выше системы отображения ВО, основанные на использовании диспетчерского графика и стрипов, отображают движение ВС вдоль осей воздушных трасс (ВТ) в зонах УВД. При этом входом в систему Scou является множество X координат /-х ВС вдоль осейу-х трасс (маршрутов движения) в к-й зоне УВД xyk(t) є X.
Если учесть, что согласно [101] СКО погрешности измерения по индикатору трассовых РЛС составляет ст5. = 1 км, что соответствует максимальной погрешности ds = За.? = 3 км, то можно заключить, что использование диспетчером диспетчерского графика для отображения ВО в отсутствие РЛК снижает точность отображения ВО более, чем на порядок. Низкая точность отображения ВО является одним из основных недостатков диспетчерского графика.
Можно отметить также следующие недостатки диспетчерского графика: 1. При использовании диспетчерского графика относительно высоки трудоемкость и сложность ввода и считывании информации. При этом диспетчер может осуществлять контроль движения не более 6-9 ВС одновременно. Загрузка же диспетчера в часы пик может доходить до 15 - 18 ВС на связи одновременно, что в 2 раза превышает пропускную способность диспетчера при использовании им диспетчерского графика. 2. Диспетчерский график не обеспечивает отображение бокового отклонения ВС от оси трассы и по одному только диспетчерскому графику невозможно определить, находится ВС в пределах трассы или нет. 3. Диспетчерский график не обеспечивает отображение ВС, следующих вне трасс, в том числе при нерасчетном спрямлении маршрутов, обходе гроз, уходе на запасной аэродром с рубежа возврата и т.д., то есть обеспечивает отображение ВО только на заранее рассчитанных трассах, для которых подготовлен диспетчерский график. 4. Диспетчерский график не обеспечивает отображение высоты ВС в процессе ее снижении или набора, поскольку в соответствии с технологией работы диспетчера на диспетчерском графике отображается изменение высоты только после того, как ВС займет назначенную высоту полета. Без дополнительных расчетов невозможно определение высоты в процессе ее занятия. 5. При использовании диспетчерского графика велика трудоемкость выявления конфликтных ситуаций в точках схождения (пересечения) трасс. Для выявления конфликтных ситуаций, когда на управлении находится 8 и более ВС, диспетчеру может потребоваться выполнить несколько десятков элементарных операций. Особенно велика трудоемкость выявления конфликтных ситуаций в точках пересечения траекторий движения ВС, следующих с переменным профилем полета по одной трассе. Данная задача возникает, когда экипаж ВС запрашивает разрешение на изменение эшелона при снижении ВС для захода на посадку или при разрешении конфликтной ситуации между ВС, следующими на пересекающихся трассах. При этом диспетчеру приходится вести два или больше графиков, сложным образом накладывающихся друг на друга и взаимосвязанных между собой.
Причем, невозможно выявление по графику конфликтных ситуаций между ВС, следующими вне трасс и по хордовым трассам, то есть по трассам, проходящим не через точку нахождения центра УВД, а по хордам зоны, а также при нерасчетном спрямлении маршрутов.
Помимо диспетчерского графика во всем мире для процедурного контроля (ПК) воздушного движения (ВД) широко используются стрипы, которыми называют полоски бумаги, несущие информацию о полете ВС. Стриповая система позволяет прогнозировать конфликтные ситуации. Основное отличие стриповой системы от диспетчерского графика заключается в том, что контроль ВД обеспечивается, в основном, путем сравнения времени пролета ПОД по докладам экипажей ВС и расчетного времени пролета. Она может использоваться как при ПК без РЖ, так и с РЖ.
В целом стриповая система и диспетчерский график - это системы примерно одного уровня качества, принцип действия которых основан на контроле ВД с помощью информации о расчетном и фактическом времени пролета определенных ПОД. В связи с этим недостатки стриповой системы практически повторяют недостатки диспетчерского графика. Причем стриповая система обеспечивает несколько худшую точность отображения ВО.
В настоящее время некоторыми производителями систем УВД, в частности французской фирмой «Томпсон» делаются попытки разработки так называемых электронных стрипов. Однако их информативность меньше, чем у бумажных стрипов. Это обусловлено тем, что бумажные стрипы позволяют по их расположению на стриповой доске решать такие задачи, как приблизительное определение местоположения ВС и их взаимного расположения. Опыт эксплуатации системы электронных стрипов показал, что она не позволяет осуществлять УВД при отказе системы РЖІ при наличии на связи даже 3-4 ВС, в то время как технология бумажных стрипов позволяет осуществлять УВД при 6-9 ВС.
Была попытка разработки отечественной системы «Строка - Ц», в которой диспетчерский график изображается на мониторе компьютера. Однако электронный график повторяет почти все недостатки своего бумажного прототипа.
Таким образом, существующие традиционные средства отображения ВО при УВД в отсутствие РЛК типа диспетчерского графика и стриповой системы, в том числе их электронные варианты, ни по точности ни по оперативности не удовлетворяют современным требованиям и не могут быть приняты за основу при построении системы отображения ВО при внедрении УВД с АЗН.
Для определения путей совершенствования методов и средств отображения ВО с учетом тенденций развития систем УВД с АЗН и появления новых технических возможностей, в частности широкого внедрения компьютеров и высокоточной спутниковой технологии навигационных определений, целесообразно рассмотреть математические модели существующих и перспективных систем отображения ВО в отсутствие РЛК.
