[ «СПУТНИКОВЫЕ СИСТМЫ СВЯЗИ, НАВИГАЦИИ, НАБЛЮДЕНИЯ КИЕВ - 2007 1 СПУТНИКОВЫЕ СИСТМЫ СВЯЗИ, НАВИГАЦИИ, Конин В. В НАБЛЮДЕНИЯ К.: кафедра АНС, 2007. 350 с.;ил.- Библиограф, 337 – 341. Рассматриваются действующие и вновь ...»
В. В. Конин
СПУТНИКОВЫЕ СИСТМЫ СВЯЗИ, НАВИГАЦИИ, НАБЛЮДЕНИЯ
КИЕВ - 2007
1
СПУТНИКОВЫЕ СИСТМЫ СВЯЗИ, НАВИГАЦИИ,
Конин В. В
НАБЛЮДЕНИЯ К.: кафедра АНС, 2007. 350 с.;ил.- Библиограф, 337 – 341.
Рассматриваются действующие и вновь вводимые глобальные спутниковые системы
связи, навигации, наблюдения с позиций потребностей систем CNS/ATM, Стандартов и Рекомендованной практики Международной организации гражданской авиации ICAO, Международной морской организации IMO, Евроконтроля. Приводятся характеристики сигналов спутников, алгоритмы формирования сигналов и корректирующей информации, методы расчета орбитального движения спутников, преобразования координат и решения навигационных задач. Излагаются вопросы проектирования авиационных дифференциальных спутниковых станций и адаптивных антенных систем для противодействия помехам.
Для для студентов и аспирантов, специализирующихся в области аэрокосмических систем, а также инженерно- технических работников сфер проектирования и эксплуатации систем навигации, геодезии, управления транспортом.
© Конин В. В.
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
РАЗДЕЛ 1 СВЯЗЬ, НАВИГАЦИЯ, НАБЛЮДЕНИЕ В СИСТЕМАХ CNS/ATM
1.1 СВЯЗЬ
1.1.1 Тенденции развития авиационной электросвязи
1.1.2 Cостояние внедрения ATN в практику воздушного движения
1.1.3 Спутниковые информационные технологии в системах CNS/ATM
1.1.4 Спектр радиочастот, выделяемый для авиационных применений
1.1.5 Спутниковая связь в системах CNS/ATM
1.1.6 Передача сигнала между космической и земной станциями, антенные системы............ 1.2 Навигация
1.2.1 Основные термины и определения
1.2.2 Навигационные характеристики
1.2.3 Морская навигация
1.3 Наблюдение
1.3.1 Тенденций развития систем наблюдения
1.3.2 Структуры систем наблюдения
РАЗДЕЛ 2 СПУТНИКОВЫЕ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2.1 Общая характеристика спутниковых радионавигационных систем
2.1.1 Состояние и развитие СРНС
2.1.2 Состав систем
2.1.3 Глобальная навигационная спутниковая система GNSS
2.1.4 Региональные дополнения в GNSS
2.2 Требования, предъявляемые к спутниковым навигационным системам авиационными пользователями
2.2.1 Общесистемные требования к спутниковым навигационным системам
2.2.2 Требования к GNSS и ее составляющим
2.2.3 Бортовой приемник GNSS
РАЗДЕЛ 3 СИСТЕМЫ КООРДИНАТ И ШКАЛЫ ВРЕМЕНИ
3.1 Координаты, время, движение навигационных спутников
3.1.1 Системы координат в спутниковых радионавигационных технологиях
3.1.2 Время в спутниковых радионавигационных системах
3.1.3 Процедуры размножения эфемерид
РАЗДЕЛ 4 ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИГНАЛЫ СПУТНИКОВЫХ
РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ4.1 Информационные сигналы
4.1.1 Вводные замечания
4.1.2 Формирование шумоподобных сигналов
4.1.3 Интерфейсы ГЛОНАСС и GPS
4.1.4. Формирование информационного сигнала в ГЛОНАСС
4.1.5 Формирование информационного сигнала в GPS
4.2 Формат и содержания навигационных данных
4.2.1 Данные ГЛОНАСС
4.2.2 Данные GPS
4.2.3 Навигационные данные космического функционального дополнения SBAS............... 4.3 Данные дифференциальных станций
4.3.1 Данные авиационных контрольно-корректирующей станций
4.3.2 Навигационные данные дифференциальной GNSS
4.4 Стандартные сообщения
4.4.1 Формат NMEA
РАЗДЕЛ 5 ОСНОВНЫЕ СРЕДСТВА ОБЕСПЕЧЕНИЯ СПУТНИКОВОЙ НАВИГАЦИИ..
5.1 Спутниковый навигационный приемник5.1.1 Требования к спутниковым навигационным приемникам
5.1.2 GNSS приемник, взаимодействующий с SBAS
5.1.3 Обобщенная функциональная схема навигационного приемника
5.1.4 Антенны GNSS
5.1.5 Радиотехнический модуль
5.1.6 Поиск и обнаружение сигнала навигационного спутника
5.1.7 Слежение за сигналом навигационного спутника
5.1.8 Совмещенные навигационные приемники
5.1.9 Демодуляция сообщений навигационных спутников ГЛОНАСС
5.1.10 Структура навигационного приемника GPS
5.2 Авиационные DGNSS
5.2.1 Концепция построения авиационной DGNSS
5.2.2 Алгоритм функционирования ККС
5.2.3 Алгоритмы контроля целостности наземных функциональных дополнений................ РАЗДЕЛ 6 ОСНОВЫ НАВИГАЦИОННЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ
6.1 Определение координат навигационным приемником
6.1.1 Обобщенный алгоритм определения координат
6.1.2 Расчет координат псевдодальномерными методами
6.1.3 Итеративный метод расчета координат потребителя
6.1.4 Геометрический фактор и погрешности определения координат
6.1.5 Дифференциальный метод определения координат
6.2 Алгоритмы расчета эфемерид навигационных спутников
6.2.1 Алгоритм расчета эфемерид навигационного спутника ГЛОНАСС на текущий момент времени
6.2.2 Алгоритм расчета эфемерид навигационного спутника GPS на текущий момент времени
6.3 Алгоритмы расчета времени в GPS
6.4 Измерение псевдодальности
РАЗДЕЛ 7 СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ В GNSS
7.1 Помехозащищенность приемников спутниковой навигации
7.1.1 Требования по помехоустойчивости GNSS
7.1.2 Экспериментальные наблюдения воздействия помех на навигационный приемник.... 7.2 Адаптивные антенные решетки
7.2.1 Подавление помех адаптивными антенными решетками
7.2.2 Моделирование адаптивных антенных решеток
7.3 Прогнозирование доступности навигационных спутников
7.3.1 Системы прогнозирования доступности навигационных спутников
7.3.2 Назначение составляющих экспериментальной АСПДНС
7.3.3 Алгоритм определения доступности GNSS
7.4 Центр спутниковых навигационных технологий Национального авиационного университета GNSSLab
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Предметный указатель
ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ
АНО аэронавигационное обслуживание АФУ антенно-фидерное устройство АЦП Аналого-цифровое преобразование ВОРЛ вторичный обзорный радиолокатор ГЛОНАСС глобальная навигационная спутниковая система (Россия) ККС контрольно корректирующая станция КНД коэффициент направленного действия КСВ коэффициент стоящей волны МАС Международный астрономический союз МДВ московское декретное время ПСДПМВ псевдослучайная двоичная последовательность метки времени ПСПД псевдослучайная последовательность данных ПЗ-90 относительная геоцентрическая система координат СРНС спутниковая радионавигационная система УВД управление воздушным движением ФАУ Федеральное авиационное управление ЧВИ частотно-временная информация Aircraft Based Augmentation System (бортовая система функциональноABAS Automatic Dependent Surveillance (автоматическое зависимое наблюдеADS AODO Age of Data Offset (смена срока службы данных AMSS авиационная подвижная спутниковая служба Approach with Vertical Guidance (заход на посадку с управлением по APV-I, APV-IІ ASM Air Space Management (организация воздушного пространства) ATN Aeronautical Telecommunication Networ BIH Bureau International de l’Heure (международное бюро времени) BPSK Binary Phase Shift Keying (двухпозиционная фазовая манипуляция) C/A-code Coarse/Acquisition (Clear Acquisition ) (код сигнала GPS) CDMA Code Division Multiplex Access (кодовое разделение каналов) Communication, Navigation, Surveillance /Air Traffic Management CNS/ATM (связь, навигация, наблюдение /организация воздушного движения CRC Cyclic Redundancy Check (циклический избыточный код) Channel of Standard Accuracy (канал стандартной точности ГЛОCSA CTP Conventional Terrestrial Pole (обычный земной полюс) Differential GNSS (дифференциальная глобальная спутниковая навиDGNSS Earth Centered Earth Fixed (геоцентрическая фиксированная система ECEF European Geostationary Navigation Overlay Service (Европейская геоEGNOS стационарная навигационная служба, спутниковая система функционального дополнения EGNOS European Organization for the Safety of Air NavigationEUROCONTROL
(Европейская организация по безопасности воздушной навигации) EWAN EGNOS Wide Area Network (широкозонная сеть связи EGNOS) Future Air Navigation System (Специальный комитет по будущим аэFANS Final Approach Segment (конечный участок захода на посадку. УчаFAS сток схемы захода на посадку по приборам, в пределах которого производится выход в створ ВПП и снижение для посадки.) FAS Lateral Alter Limit (информация о конечном участке захода на FASLAL посадку, относящаяся к порогу срабатывания сигнализации по горизонтали) Final Approach Segment Vertical Alter Limit (информация о конечном FASVAL участке захода на посадку, относящаяся к порогу срабатывания сигнализации по вертикали) FDMA Frequency Division Multiple Access( частотное разделение каналов) FEC Forward Error Correction (помехоустойчивое кодирование) FIR Flight Information Region (район полетной информации) Flight Path Alignment Point (точка выставления направления траFPAP HFDL высокочастотная линия передачи данных Угловое боковое отклонение относительно азимутальной опорGARP Ground Based Augmentation Systems ( наземна система функціоGBAS Ground Continuity and Integrity Designator (показатель непрерывGCID Geometric Dilution Of Precision (геометрический фактор снижения GDOP International Civil Aviation Organization (международная организация ІСАО ID Iidentification (идентификатор) IDOT Rate of Inclination Angle (скорость изменения угла наклонения) IOD Issue of Data (выходные данные) IODC Issue of Data Clock (идентификатор набора параметров времени) IODE Issue of Data Ephemeris (идентификатор набора данных эфемерид) IODP Issuance of Data PRN (идентификатор набора данных PRN) LAAS Local Area Augmentation System (система локальных ККС США) LSB Least Significant Bit (младшие разряды) Multi-functional Transport Satellite-based Augmentation System the JapaMSAS nese FIR (система космического функционального дополнения Японии) MSB Most Significant Bit (старшие разряды) NPA Non-Precision Approach (неточный заход на посадку) OSI международная организация стандартизации Position Dilution of Precision (геометрический фактор снижения точРDОР ности определения места расположения в пространстве) PRN Pseudo-Random Noise (псевдо случайный код) Receiver Autonomous Integrity Monitoring (система автоматического RAIM контроля целостности спутникового созвездия) RNAV Area Navigation (зональная навигация) RNP Required Navigation Performance (необходимые навигационные характеристики) Standards and Recommended Practices (Стандарты и Рекомендованная SARPS Satellite-Based Augmentation System (спутниковая система функциоSBAS Standard Positioning Service (служба стандартного определения местоSPS SV HEALTH Space Vehicle Health (состояние спутника) TLM Telemetry (первое слово телеметрии) TOW TDOP Time Dilution of Precision (временной фактор ухудшения точности) UERE User Equipment Ranging Error (эквивалентная ошибка пользователя в URE User Range Error (ошибка пользователя в определении дальности) UT1 Universal Time 1 (система всемирного времени) National Reference of Coordinated Universal Time (Государственный UTC(SU) эталон координированного всемирного времени) UTC Universal Coordinated Time (координированный всемирное время) Vertical Dilution of Precision (геометрический фактор изменения точVDОР VDL ОВЧ линия передачи данных Wide Area Augmentation System (широкозонная система функциоWAAS World Geodetic System 1984 (Всемирная геодезическая система –1984, WGS- относительная геоцентрическая система координат) WN Week Number (номер текущей недели GPS)ВВЕДЕНИЕ
Рубеж / веков с полным основанием можно считать началом эпохи внедрения и применения технологий спутниковых информационных технологий для связи, навигации, наблюдения практически во свех областях человеческой деятельности.Спутниковые системы связи, открыли доступ к международным инфориационным ресурсам и позволили в реальном времени обмениваться информацией между любыми точками земной повехности и околоземного пространства. Причем огранчений на вид информации практически не существует. Это может быть радио- и телевещание, голосовая и цифровая связь, зашиврованная информация.
Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) имеют беспрецедентную (миллиметровую) точность на глобальном уровне и применяются в фундаментальных исследованиях и наблюдениях за перемещением материков и полюсов Земли, в геодезии и картографии для создания кадастров и цифровых карт, при диагностике микроперемещений, предшествующих разрушению высотных сооружений, мостов, газо и нефтепроводов, в сельскохозяйственной деятельности для эффективного использования высокопроизводительных агротехнологий, в управлении движением транспортных средств различного назначении.
Системы наблюдения, использующие спутниковую связь и навигацию позволили получить принципиально новое качество для при контроле и управлении подвижными объектами.
Стратегией Международной организации гражданской авиации (ICAO) по внедрению систем связи, навигации, наблюдения/организации воздушного движения (CNS/ATM) предусматривается постепенный переход от существующих навигационных инфраструктур к более широкому систем спутниковой навигации на основе глобального и регионального планов одобренных государствами.
В первом разделе изложены концептуальные направления развития спутниковых информационных систем связи, навигации, наблюдения. Приводятся обобщенные структуры земных и космических станция связи, даются основные сведения об авиационной навигации и навигационных характеристиках, рассматриваются типичные системы наблюдения, в которых применяются спутниковые навигационные системы.
Второй раздел посвящен глобальным спутниковым системам радинавигации, которые в настоящее время активно внедряются в авиационную практику и широко используются для управления подвижными объектами, для геодезических и другирх применений.
В третьем разделерассматриваются ситемы координат и системы шкал времени, применяемые в спутниковых системах.
Четвертый раздел посвящен сигналам навигационных спутников, с использованиемторых осуществляются измерения координат и времени в спутниковых системах навигации.
В этом же разделе даются форматы и протоколы данных, передаваемых с навигационных спутников.
В пятом разделе рассмотрены обобщенные схемы аппаратуры спутниковой навигации и наиболее типичные схемы элеменов, входящих в состав навигационных приемников.
Шестой раздел содержит основные расчетные соотношения для решения навигационной задачи- определения координат, скорости и времени пользователей.
Седьмой раздел посвящен вопросам и методам повышения помехозащищенности спутниковых систем и прогнозированию их доступности.
Настоящая книга предназначена для студентов высших учебных заведений, самостоятельно изучающих спутниковые системы и технологии. Книга может быть полезна специалистам, разрабатывающим и эксплуатирующим аппаратуру, использующую сигналы спутниковых систм.
РАЗДЕЛ 1 СВЯЗЬ, НАВИГАЦИЯ, НАБЛЮДЕНИЕ В СИСТЕМАХ
1.1.1 Тенденции развития авиационной электросвязи Управление воздушным движением является невозможным в отсутствие надежных средств обеспечения глобальной речевой связи и передачи данных. Поэтому неотъемлемой частью аэронавигационных систем, получивших название «Системы CNS/ATM», являются средства связи, интегрированые с системами наблюдения и навигации. Действительно, сочетание надежности средств передачи донесений о местоположении с точной навигацией позволяет расширить объем наблюдения за воздушными судами, особенно в случае полетов над океанами и в отдаленных районах, которые не охватываются радиоэлектронной аппаратурой [1].В соответствии с концепцией CNS/ATM ИКАО связь между диспетчерами УВД и воздушными судами в полете должна осуществляться с использованием линий передачи данных [2]. К речевой связи можно будет прибегать в аварийных и других нештатных ситуациях.
Кроме того, уже твердо обозначилась цепь использовать линии передачи данных для предоставления диспетчерам УВД информации о местопребывании самолета и его намерений, обеспечиваемой навигационными системами и другими бортовыми датчиками без участия экипажа ВС. Этот процесс получил название автоматического зависимого наблюдения (automatic dependent surveillance - ADS) В концепции CNS/ATM линии передачи данных являются важнейшим элементом. Без этого элемента была бы невозможной реализация аспекта глобального наблюдения, которое делает системы CNS/ATM намного более современными, чем традиционные системы, и перегруженность обычных речевых каналов связи достигла бы пределов, негативно сказывающейся на безопасности полетов. Другим основополагающим элементом систем CNS/ATM будет служить сеть авиационной электросвязи.
Применение линий и сетей передачи данных для поддержания обычной авиационной связи является одной из главных особенностей систем CNS/ATM, что обусловлено их очевидным преимуществом. Например, типичное донесение о местоположении воздушного суда, как правило, занимающее около 45 секунд эфирного времени при обычной передаче речевых сообщений, может быть представлено цифровым кодом в виде потока бит как сообщение автоматического зависимого наблюдения и передано по линии передачи «воздухземля» за доли секунды. Это значит, что конкретный цифровой сигнал передачи данных может пропускать больше сообщений о местоположении воздушных судов в единицу времени (т.е. увеличивается емкость системы) или что возрастает вероятность доступа воздушного судна к каналу связи в любое время, поскольку его загруженность уменьшается. При обычной речевой радиосвязи любой мешающий сигнал (шумы в кабине самолета, радиочастотные помехи от других радиопередатчиков, атмосферный шум и тепловой шум) входящий в полосу пропускания канала, приводят к ухудшению принимаемого полезного сигнала, т.е.
уменьшают реальное состояние отношения сигнал/шум в приемнике. Когда реальное состояние отношения сигнал/шум, значительно снижается, получатель информации может не понять должным образом некоторые из произнесенных слов, и сообщения могут быть неверно истолкованы. Неправильное толкование может быть обусловлено и нетехническими причинами, например, различием в акцентах. Цифровые линии связи гораздо лучше защищены от неправильного понимания или неверного толкования сообщений. Хотя мешающий сигнал может привести к тому, что двоичная единица будет распознана приемником как двоичный нуль или наоборот. Имеется определенная возможность снизить вероятность ошибок, обнаружить или даже исправить такие ошибки. К числу методов, применяемых на линиях передачи данных для обеспечения целостности передаваемых сообщений, в частности относятся:
- надежные методы цифровой модуляции, устойчивые к шуму и помехам;
- прямое исправление ошибок, которое осуществляется добавлением лишних (избыточных) бит к потоку данных для исправления случайных однобитовых ошибок; - методы обнаружения ошибок, в рамках которых в пакет данных включаются дополнительные биты; благодаря этому, если возникают ошибки, которые остаются неисправными, пакет или кадр могут быть аннулированы и запрошена повторная передача.
В настоящее время двухсторонняя передача данных по линии «воздух-земля» осуществляется через авиационную подвижную спутниковую службу (AMSS), по высокочастотной линии передачи данных (HFDL), по ОВЧ линии передачи данных (VDL) и в режиме S вторичного обзорного радиолокатора (ВОРЛ), которые признаны ИКАО как средства, пригодные для связи в воздушном пространстве различных типов и в различных эксплуатационных условиях. В вышеуказанных линиях передачи данных применяют разнообразные методы передачи, но аналогичные с точки зрения интерфейса пользователя. Методы используют общий протокол обмена данными, основанный на эталонной модели взаимосвязи открытых систем (OSI) Международной организации стандартизации (OSI). Преимущество использования стандарта общего интерфейса пользователя состоит в том, что эти линии передачи могут образовывать подсети, а подсети в свою очередь, могут быть связаны с другим бортовым электронным оборудованием или с наземными подсетями через стандартизированные протоколы. Обеспеченные такой архитектуры и протоколов межсетевого взаимодействия является задачей сети авиационной электросвязи (Aeronautical Telecommunication Network - ATN).
Учрежденный ИКАО в 1983 году специальный комплект по будущим аэронавигационным системам (FANS) в процессе оценки новых концепций и новых технологий особо отметим необходимость обмена данными через разнородные линии передачи авиационной информации. Комитет также рекомендовал, чтобы принципы архитектуры соединений открытых систем (OSI) Международной организации стандартизации, были использованы при разработке каналов передачи авиационных данных с целью обеспечения их взаимной согласованности (interoperability).
В январе 1989 г. Аэронавигационная комиссия ИКАО расширила компетенцию Бюро по улучшению вторичных обзорных радиолокаторов и систем для избежания столкновений (SICASP), поручив SICASP разработку документов в ИКАО, необходимых для обеспечения в максимально возможных размерах общность систем передачи данных и взаимную согласованность каналов передачи данных служб управления воздушным движением, включая спутниковые системы связи. Выполняемая SICASP на основе рекомендаций комитета FANS работа привела к созданию концепции Сети авиационной электросвязи (АТN), которая предназначена поддержания связи между компьютерами, эксплуатируемыми администрациями гражданской авиации (CAAS) и авиакомпаниями.
На своем четвертом совещании в марте 1989 г. SICASP разработало описание ATN и рекомендовало опубликовать его как руководство ИКАО. Первое издание руководства было осуществлено в 1991 г., а второе, доработанное издание было рекомендованно к печати на пятом совещание SICASP в ноябре 1993 г. После завершения SICASP описания АТN (2-е издание) Аэронавигационная комиссия ИКАО поручила Бюро ИКАО по АTN (ATNP) разработку Стандартов и рекомендованной практики (SARPS) и руководящих материалов (Guidande Material) для ATN. SARPS и Guidande Material для ATN одобрены в 1997 г. и включены в приложение 10 (Annex 10).
Согласно разработанным и утвержденным нормативным документам ATN представляет собой интерсеть (межсеть) передачи данных, которая:
обеспечивает общую службу связи для всех применений связи службами управления воздушным движением (ATS) и авиационной промышленности;
интегрирует и использует существующие сети связи и инфраструктуры, где это возможно;
обеспечивает службу связи, которая удовлетворяет требования безопасности и защищенности служб связи авиакомпаний и управления воздушным движением;
согласовывает различные уровни служб авиакомпаний и управления воздушным движением.
Таким образом, архитектура открытых систем (OSI) умышленно возлагает ответственность за маршрутизацию и поддержание состояния ATN на маршрутизаторов и поэтому обеспечивает конечным пользователям (Host Computers) только минимальные сетевые обязанности.
ATN должна обеспечивать:
- устойчивую и надежную службу связи с опцией дейтаграмм;
- наземную интерсеть между наземными пользователями;
- интерсеть “воздух-земля”для связи между воздушными и наземными пользователями.
ATN должна удовлетворить нужды авиационного сообщества в результате достижения следующих целей.
ATN это интерсеть, которая строится из существующих сетей через использование маршрутизаторов и шлюзов между входящими в ее состав сетями. Капиталовложения в существующие локальные сети (LANS), арендованные линии CIDIM и Х.25 сети сохраняются.
Более того, ATN может интегрировать возникающие сети, такие как Ретрансляция кадров (Frame Relay) и Асинхронный режим передачи (Asynchronous Transfer Mode-ATM).
ATN спроектирована таким образом, чтобы представлять собой высоко доступную сеть, гарантируя отсутствие отказов в доступе. Эта особенность ATN обеспечивается наличием многочисленных маршрутизаторов к одному и тому же объекту при динамическом их переключении. Этот подход реализуется как для мобильных, так и для фиксированных служб связи. При этом обеспечивается доступность к мобильной связи, которая была невозможной при старых технологиях, базирующихся на средствах прямой видимости.
ATN поддерживает мобильную авиационную связь путем использования ряда мобильных сетей, включая АМSS, VDL и Mode-S. С помощью ATN любая наземная система может иметь связь с воздушным судном в любой части мира.
Данные пользователей ATN получают приоритеты в сети и в результате данные с приоритетами не препятствуют передаче высокоприоритетных данных. Специальные приемы обеспечивают ситуации, что даже в случаях, когда сеть близка к насыщению высокоприоритетные данные будут переданы по назначению с малым временем задержки. Техника управления, используемая в ATN, превосходит технику управления, используемую в TCIP/IP интерсети. В ATN нагрузка трафика сбалансирована доступными ресурсами связи, в то время как в TCIP/IP интерсети насыщения сеть регулярно пересыщается с потерей последовательных данных.
В ATN предусмотрена сетевая технология, обеспечивающая возможность подключения новых наземных и воздух-земля линий передачи данных.
Таким образом, для потребителей (экипажи воздушных судов, авиакомпании, аэропорты, органы управления воздушным движением) ATN должна обеспечивать надежную, устойчивую и высокоинтегрированную службу передачи информации (данных) между двумя компьютерными системами (End Systems), включая расположенные в фиксированном месте, как в случае оборудования служб управления воздушным движением, и мобильных, т.е. расположенных на воздушных судах.
Главные отличия ATN от традиционных систем авиационной связи заключаются в следующем:
-ATN специально и исключительно предназначена для обслуживания авиационного сообщества, включая провайдеров обслуживания воздушного движения, пользователей и авиационную промышленность;
- ATN обеспечивает службы связи между наземными и бортовыми системами, а также между наземными системами посредством различных механизмов в пределах системы (например, выбором маршрутов) и является прозрачной для пользователя;
- ATN обслуживает службу связи, которая спроектирована таким образом, чтобы удовлетворять требованиям безопасности и защищенности;
- ATN согласовывает различные классы обслуживания и приоритеты сообщений, требуемые различными ATN применениями;
- ATN использует и интегрирует различные авиационные, коммерческие общественные сети передачи данных в глобальную инфраструктуру связи.
ATN поддерживает связь между:
а) системами связи авианосителей и системами связи служб управления воздушным движением;
б) системами связи авиакомпаний и бортовыми системами связи;
в) системами связи служб управления воздушным движением и бортовыми системами связи;
г) наземными системами связи служб управления воздушным движением;
д) системами связи авиакомпаний.
На рис. 1.1 приведена обобщенная структурная схема ATN. Ключевыми элементами ATN являются подсети, ATN маршрутизаторы и конечные системы (ES). Подсети являются составными частями сети связи, но не являются составными частями ATN. Определено, что подсети представляют собой независимые сети передачи данных, основанные на частных технологиях передачи данных (например, сети пакетной передачи по протоколу Х.21), которые используются как физические средства передачи данных между ATN системами.
ES ES ES ES
ATN ATN
ES ES ES ES ES ES
Рис. 1.1. Структура ATN: ES - конечная система (End System) Разнообразие как наземных так и «воздух-земля» подсетей обеспечивают множественность путей передачи данных конечным пользователям.Подсети мобильной (воздух-земля) авиационной связи, а именно: авиационная мобильная спутниковая служба (AMSS), линия передачи данных ОВЧ диапазона (VDL), высокочастотная линия передачи данных (HFDL) и линия передачи данных режима S вторичных обзорных радиолокаторов (Mode S date linx), в настоящее время стандартизированы ИКАО для авиационных применений. Следует отметить, что линии передачи типа Mode S имеют ограничения по объёму передачи данных, а что касается линий передачи данных типа VDL, то возможны отличающиеся по методу доступа, форматами сообщений, типом модуляции и скоростью передачи данных линии передачи данных VDL mode 2, VDL mode 3 и VDL mode Предполагается следующее разделение служб авиационной мобильной связи между различными подсетями.
Высокочастотная линия передачи данных должна осуществлять передачу: Oceanic Clearance (OC) Terminal Weather Information for Pilote (TWIP), Waypoint Position Report (WPR).
Линия передачи данных Mode S должна осуществлять передачу: Waypoint position Report (WPR), Flight information service (FIS), Digital automatic terminal information service (DATIS).
Спутниковая линия передачи данных должна осуществлять передачу: Digital automatic terminal information service (DATIS), Data link delivery of Taxi Clearernces (DDTC), Predeparture Clearences (PDC).
ОВЧ линии передачи данных должны осуществлять передачу: Predeparture Clearences (PDC), Controller – Pilot data link communications (CPDLC), Automatic dependent surveillance (ADS), Oceanic clearences delivery (OCD).
1.1.2 Cостояние внедрения ATN в практику воздушного движения Основными провайдерами авиационных служб передачи данных являются корпорации ARINC и SITA. ARINC находится в совместной собственности правительства США и авиакомпаний, а SITA представляет собой самую большую частную компанию в области передачи данных, учрежденная одиннадцатью крупнейшими европейскими авиакомпаниями в Корпорация SITA эксплуатирует самую большую сеть передачи данных, обслуживающих передачу информации AGARS, состоящую из более чем 300 наземных станций, расположенных в 131 стране. Начиная с лета 2001 г. SITA начала развертывание наземных станций, разработанных фирмой Нarris (США), которые должны в будущем образовать VDL AIRCOM - сеть, обеспечивающую VDL mode 2 службы. Планируется в течение 8 лет развернуть 590 наземных станций. Кроме того, планируется использование сети SATELLITE AIRCOM для обслуживания воздушных судов, оборудованных аппаратурой FANS- 1/A.
Огромную активность в развитии сетей передачи данных, соответствующих требованиям Стандартов и Рекомендованной практики ИКАО для ATN, проявляет учрежденная в г. корпорация ARINC [3].
Воздушные суда при полетах над океанами, в полярных и отдаленных районах могут пользоваться услугами сети передачи данных высокочастотного диапазона частот CLOBALink/ HF (HFDL). Эта сеть дополняет возможности сетей передачи данных ОВЧ диапазона и спутниковой линии передачи данных, которая неэффективна в полярных районах, обеспечивая таким образом непрерывное обслуживание связью при полетах в любой точке воздушного пространства.
Сеть передачи данных высокочастотного диапазона HFDL обеспечивает намного более экономную, доступную и надежную связь в полярных отдаленных районах, чем аналоговая связь высокочастотного диапазона. Полный набор сообщений AGARS является доступным при использовании HFDL.
ARINC является единственным провайдером, который предлагает глобальную службу связи посредством HFDL. Две наземные станции введены в эксплуатацию в Красноярске и на Аляске и их число достигло 12-ти и еще две наземные станции HFDL должны быть введены в эксплуатацию на Канарских островах и в Бахрейне.
Помимо HFDL корпорация ARINC усиленно развивает сеть передачи данных ОВЧ диапазона CLOBALink /VDL с использованием геостандартных спутников Inmarsat SATELITE GLOBALink. Что касается последней сети, то воздушные суда, оснащенные аппаратурой FANS-1/A, с помощью SATELITE GLOBAlink могут обмениваться сообщениями CPDLC, ADS и ATS Facility Notification (AFN) с наземными службами управления воздушным движением.
ARINC агрессивно расширяет свою сеть передачи данных ОВЧ диапазона помимо Северной Америки еще в Центральной Америке, Европе и Азии. 25 наземных станций уже установлено в Китае и еще 100 наземных станций планируется установить в ближайшее время.
В Юго-Восточной Азии планируется установить 50 наземных станций. Наземные станции устанавливаются в Гренландии, Скандинавских странах и в Италии.
ARINC принимает активное участие в программе FAA по внедрению цифровых линий связи Build 1 и в широкомасштабном проекте EUROCONTROL по внедрению цифровых линий связи PETAL II е (extended).
Таким образом, активность корпорации ARINC касается всех линий передачи данных, входящих в качестве подсетей в ATN за исключением линии передачи данных на основе режима S вторичных обзорных радиоканалов.
Быстрому внедрению ATN в авиационную практику способствует осуществление ряда широкомасштабных проектов, а именно: TAR, ProATN, EOLIA, PETAL II, FAA CPDLC Programme (Build 1/1A). Проект TAR (Trials ATN Routers) обеспечил раннюю разработку и испытания ATN маршрутизатора, удовлетворяющего требованиям Стандартов и Рекомендованной практики ИКАО по ATN. Цель проекта ProATN, выполненного под руководством EUROCONTROL, заключалась в том, чтобы разработать, изготовить, интегрировать и проверить характеристики функционирования предэксплуатационного и предпромышленного протокола ATN, соответствующего в максимально возможном объеме требованиям ICAO CNS/ATM – 1 Packoge для ATN как в сетевом аспекте, так и в аспекте применений. Проект European Pre-Operational Data-Line Operation (EOLIA) выполняется консорциумом европейских авиакомпаний при финансировании со стороны Европейской комиссии и EUROCONTROL. Главная цель этого проекта заключалась в развитии и оценке на основе разработанной при выполнении проекта ProATN инфраструктуры авиационных служб CNS/ATM-1, базирующихся на использовании линий передачи данных. Цель проекта Preliminary Eurocontrol Trial on Airground Data Line (PETAL), выполненного в течение 1996годов, заключалась в том, чтобы авиадиспетчеры и экипажи самолетов оценили эксплуатационные процедуры, основанные на использовании линий передачи данных. В 1998 г.
проект PETAL был продолжен под названием PETAL II е (расширенный) с участием ARINC, FАA, American Airlines, Boeing, Roekwell-Collins. Цель расширенного проекта заключалась в предэксплуатационных испытаниях имеющейся уже в наличии инфраструктуры ATN с последующим ее расширением и вводом в эксплуатацию. Программа Build 1/1A, осуществляемая FAA в течение 2002-2005 годов предусматривала ввод в практику авиадиспетчеров CPDLC сообщений и поддержке использования в летной практике линий передачи VDL Mode 2, развертываемых на территории США корпорацией ARINC.
Результаты выполнения вышеописанных проектов позволили EUROCONTROL разработать для Европейской конференции гражданской авиации (ЕСАС) стратегию по внедрению в европейском воздушном пространстве технологий CNS/ATM на период до 2005 года, а также программу практических действий LINK 2000 + [4] по эволюционному внедрению ATN на период до 2005 года.
В процессе выполнения программы LINK 2000 + планировалось достижение следующих целей:
- внедрение в практику ряд служб на основе линий передачи данных, которые показали практическую полезность в процессе выполнения исследовательских проектов;
- создание эксплуатационного, технического и институционного базиса для дальнейшего распространения ATN в европейском воздушном пространстве;
- создание совместно используемой сети на основе VDL Mode 2 для управления воздушным движением (АТС) и оперативной связи авиакомпаний с воздушными судами;
- полное внедрение выбранных служб, базирующихся на использовании лини передачи данных в 10 районных центрах управления воздушным движением(АСС);
- внедрение в практику следующих служб на основе линий передачи данных: Data Link Initiation Capability (DLIC), ATC Communication Manegement (ACM), Controller Acces Parameters (CAP), ATC Microphone Check (AMC), ATC Clearances (ACL), Flight Plan Route Conformance (FLIPCY), Departure Clearance (DCL), Flight Plan Route Conformance (FLIPCY), Departure Clearance (DCL), D-ATIC (Digital ATIS), Downstream Clearances (DSC).
В конце двадцатого века авиационная мобильная связь в воздушном пространстве США и при полетах над океанами осуществлялась практически исключительно посредством аналоговых радиосредств высокочастотного (HF), особо высокочастотного (VHF) диапазонов и аналоговой спутниковой линии передачи. Только в некоторых аэропортах посредством линии передачи данных осуществлялись службы Predepartyre Clearances, DATIS, и небольшое количество воздушных судов, оборудованных аппаратурой FANS-1/а, при полетах над океанами использовали для осуществления автоматического зависимого наблюдения цифровую спутниковою связь посредством службы передачи данных SATELLITE GLOBALink корпорации ARINC. Посредством наземных станций ОВЧ диапазона, образующих сеть VNF CLOBALink корпорации ARINC осуществлялась передача данных от воздушных судов авиакомпаниям (AGARS). Но сеть VHF CLOBALink не соответствует требованиям ATN. На будущее FAA приняла принципиальное решение о развертывании сети наземных станций ОВЧ диапазона NEXCOM для передачи данных согласно требованиям SARPS ATN для линий передачи данных VDL mode 3. Однако, первоначально сеть NEXCOM будет поддерживать речевую связь и только с 2006 года начался переход на использование как речевой связи, так и передачи данных. Этот процесс продлится до 2015 г. и в 2015 г. сеть NEXCOM будет, главным образом, заменять сеть VDL mode 2 наземных станций корпорации ARINC для передачи сообщений ACARS. Таким образом, в архитектуре воздушного пространства США на период до 2015 г. запланированы крупные подвижки в области использования линий передачи данных для организации и управления воздушным движением, но речевая связь останется доминирующей в контактах пилот-диспетчер, а посредством линий передачи данных будут передаваться рутинные сообщения, которые тем не менее составляют до 80 % объема информации, которой обменивается воздушное судно с наземными системами [5]. Следует отметить, что скорость замены аналоговой радиосвязи цифровой радиосвязью существенно определяется темпами оснащения воздушных судов цифровой аппаратурой связи. Необходимо подчеркнуть, что типичной на следующие 10 – лет в США и Европе в области мобильной авиационной связи будет ситуация параллельного использования в аэропортах аналоговых и цифровых радиосредств. Однако, это вряд ли существенно усложнит организацию воздушного движения, так как ведущие производители радиосредств авиационной связи, а именно: Harris (США), Raytheon (США), Parkair Electronics (Англия), Telerad (Франция) серийно выпускают многорежимную аппаратуру, обеспечивающую как речевую связь посредством амплитудной модуляции, так и передачу данных в режимах VDL mode 3, соответствующую требованиям SARPS ИКАО для ATN.
1.1.3 Спутниковые информационные технологии в системах CNS/ATM В начале 1980-х годов ICAO признало, что возможности существующих аэронавигационных систем ограничены. В 1983 году в ICAO был создан Специальный комитет по будущим аэронавигационным системам (FANS). Комитету было поручено, изучить, определить и оценить перспективные аэронавигационные технологии и выработать рекомендации по развитию аэронавигации на 25 лет.
Безопасность и эффективность полетов воздушных судов обеспечивается системами организации воздушного движения. Составными частями этих систем, выполняющими основные функции, являются связь, навигация, наблюдение.
Связь осуществляет обмен информацией между воздушными судами и наземными службами.
Системы навигации предназначены для обеспечения воздушных судов необходимой информацией о местоположении судна.
Системы наблюдения обеспечивают наземные службы, в частности диспетчеров УВД необходимой информацией о местоположении воздушных судов, находящихся в зоне их ответственности.
ICAO рассматривает связь, навигацию и наблюдение как основные функции для обеспечения систем организации воздушного движения.
В современной интерпретации, глобальные системы с функциями связи, навигации, наблюдения, организации воздушного движения определяется как системы GNS/ATM.
Комитет FANS, изучив существующие технологии с функциями GNS/ATM, пришел к выводу, что авиационные информационные системы рубежа ХХ-ХХІ века могут преодолеть ограничения существующих систем только с использованием принципиально новых концепций и систем СNS, а единственным оптимальным вариантом, на базе которого могут быть реализованы новые системы, являются спутниковые технологии.
Концепция FANS, получившая название “Системы CNS/ATM”есть сочетание спутниковых технологий и систем прямой видимости, в совокупности обеспечивающих оптимальные характеристики аэронавигационного обеспечения с технической и экономической точки зрения.
Принципиальными особенностями системы АТМ являются следующие:
Вместо разделения на обособленные наземные и бортовые функции АТМ, функции и процедуры для производства полетов будут цельной функциональной частью системы АТМ.
Отсюда следует, что бортовую и наземную аппаратуру нужно рассматривать как единое целое и взаимно увязывать их характеристики в соответствии с требуемыми навигационными характеристиками RNP.
К новым основным требованиям, предъявляемым к элементам системы АТМ следует отнести:
в связи – применение высокоскоростных линий передачи данных со специальным видом модуляции;
в навигации- широкое применение глобальной системы спутниковой навигации GNSS для всех стадий полета, с целью осуществления главного экономического преимущества системы GNS/ATM, а именно, вывода из эксплуатации материалоемкой части существующей навигационной системы;
в наблюдении- оптимизация РЛС и ADS (автоматизированного зависимого наблюдения) по критериям оптимальной пропускной способности;
в планировании инфраструктуры: организация воздушного пространства (ASM) будет ориентирована на внедрение требуемых навигационных характеристик (RNP) методов зональной навигации (RNAV), в том числе и методами моделирования;
в производстве полетов: главная ориентация на оценку эффективности полетов с учетом всех этапов, т.е. от «перрона до перрона»;
в использовании воздушного пространства- гибкое, скоординированное, а не регламентируемое использование воздушного пространства с учетом всех пользователей, включая военных;
в планировании полетов- внедрение и применение интерактивных и автоматизированных средств;
в обслуживании воздушного движения (ОВД)- унификация систем обработки данных с целью последующей интеграции в региональные и глобальные сети;
в организации потока воздушного движения (ОПВД): внедрение методов многопараметрического моделирования с использованием комплексных баз данных и бортовых автоматизированных систем управления полетами.
В системах GNS/ATM спутниковые информационные технологии имеют следующие составляющие:
1. Глобальные спутниковые системы связи и навигации.
2. Спутниковые передатчики и приемники, устанавливаемые на борту воздушных судов.
3. Наземную инфраструктуру поддерживающую передачу данных и обмен данными между воздушными судами и службами, управляющими воздушным движением.
4. Радиоканалы передачи данных между бортовой аппаратурой воздушных судов и наземными связными и навигационными средствами.
Использование перечисленных аппаратурных средств позволяет реализовать следующие основные функции:
2. Посадка воздушного судна по 1 категории метеоминимума (в перспективе до 2010 года по II и III категориям).
1.1.4 Спектр радиочастот, выделяемый для авиационных применений Международное обозначение радиочастот приведено в таблица 1. 1 [6].
Диапазон 30-300 Гц ELF - Extremely 300-3000 ILF - Inftalow- ИРЧ - Инфранизкая Диапазон 30- 300- МГц Frequency частота Связь прямой видимости, мобильная и спутниковая связь, радиорелееные линии SHF - Superhigh СВЧ - Сверхвысокая Радиолокация, радиорелееные линии, спутникоFrequency 30- Спектр частот, выделенный для авиационных применений, приведен в таблица 1. 2.
117,975-137 МГц AM(R)S Связь "воздух - земля" и "воздух - воздух" (речевая связь и передача данных в ОВЧ-полосе) Примечание: 1) RN-радионавигация, RL –радиолокация, ARN - авиационная радионавигация, RNS - радионавигационная спутниковая служба, RDS - спутниковая служба радиоопределения, AM(R)S - авиационная подвижная (маршрутная) служба, MSS - подвижная спутниковая служба, AMS(R)S - авиационная подвижная спутниковая (маршрутная) служба.
Как следует из таблица 1. 2 авиационным радионавигационным средствам выделен широкий спектр радиочастот, что выдвигает на один из первых планов вопросы электромагнитной совместимости и помехоустойчивости спутниковых систем радионавигации.
1.1.5 Спутниковая связь в системах CNS/ATM Спутниковая система связи предназначена для передачи информации от источника к адресату и в самом обобщенном виде схематично изображена на рис. 1.2.
Передаваемая информация кодером источника преобразуется в двоичные символы. Двоичные символы кодируются кодером канала, и результирующей последовательностью символов модулируют несущую частоту электромагнитных колебаний. Электромагнитные колебания по каналу поступают в приемник адресата, в котором выполняется демодуляция сигнала, канальное декодирование и декодирование двоичных данных. В правильно функционирующей системе информация источника и информация, принятая адресатом могут отличаться на величину возможной ошибки, которая парогнозируется при проектировании системы.
Передача информации может осуществляться непрерывными и дискретными сигналами. В цифровых системах связи используются дискретные сигналы. Мерой объема передаваемой информации в цифровых системах связи является бит. Пропускная способность канала связи зависит от скорости передачи информации, определяемой как количество бит переданных в единицу времени ( R = M ), ширины полосы пропускания канала (W ) и от соотношения сигнал/шум в приемнике адресата ( S / N 0 ).
Предельная пропускная способность канала связи с аддитивным шумом определена Шенноном (C. E. Shannon) и дается соотношением [7 ] ность мощности белого шума.
Упрощенная топологическая схема спутниковой системы связи изображена на рис. 1.
Система содержит две или более земных стаций, один или более спутников связи, на которых размещены космические станции связи. Обмен/ передача данных между станциями осуществляется по линиям связи «земная станция 1 (2)- спутник связи- земная станция 2 (1).
Линии связи «земная станция – спутник связи» (линия связи вверх) и «спутник связиземная стация» (линия связи вниз) используют различные частоты.
Системы спутниковой связи характеризуются следующими основными показателями.
Диапазоны частот линий связи вверх и вниз.
Добротность земных станций при работе на прием, определяемая как отношение коэффициента усиления приемной антенны к шумовой температуре станции.
Эквивалентная изотропно излучаемая мощность, определяемая как произведение мощности передатчика земной станции на коэффициент усиления передающей антенны.
Поляризация излучаемых и принимаемых электромагнитных колебаний.
Характеристики ретранслятора (транспондера) космической станции: параметрами приемопередающего тракта, числом частотных стволом, методами построения антеннофидерного тракта).
Зона покрытия, под которой понимается часть поверхности земного шара, в которой обеспечивается достаточный уровень электромагнитного излучения от космической станции для приема информации с заявленным качеством.
Срок службы космической станции, под которым обычно понимается время, в течение которого спутник связи функционирует на заданной орбите с требуемыми параметрами.
Спутниковые системы связи сопровождаются службами в зависимости от их назначения.
Фиксированная спутниковая служба (ФСС) сопровождает земные станции, расположенные в фиксированных пунктах связи.
Рис. 1. 3. Упрощенная топологическая схема спутниковой системы связи Подвижная спутниковая служба (ПСС) сопровождает связь между подвижными объектами и подразделяется на сухопутную, морскую и воздушные службы.
Радиовещательная спутниковая служба (РСС) сопровождает сигналы космических станций предназначенные для приема населением, включая и индивидуальный прием. При этом под термином радиовещательная подразумевается как телевизионное, так и звуковое вещание.
Полосы частот между различными спутниковыми службами регулируются Международным союзом электросвязи [6] и приведены в Регламенте радиосвязи. Согласно Регламента полосы радиочастот распределены между тремя районами: район 1- Европа, Африка, территория СССР, Монгольская народная республика; район 2- Северная и Южная Америка;
район 3 Азия, Океания, Австралия.
Полосы частот для служб связи района 1 и служб, работающих на всемирной основе приводятся в таблица 1. 6.
Полосы частот линии вниз (космос- земля) Полосы частот линии вверх (земля- космос) Полные сведения о распределении частот между службами и районами даются в [6].
Упрощенная структурная схема земной станции изображена на рис. 1.4.
Антенна приемопередающая Рис. 1.4. Упрощенная структурная схема земной станции Земная станция осуществляет передачу информации на космическую станцию, прием данных с космической станции для последующей передачи адресатам. В режиме передача, информация, которую необходимо передать адресатам форматируется в соответствующий протокол, преобразовывается в цифровую форму, кодируется. Закодированными цифровыми сигналами модулируются несущие частоты соответствующих каналов передатчиков. Сигналы канальных передатчиков суммируются частотно-суммирующим устройством (ЧСУ) и через частотно-разделительное устройство 1 (ЧРУ 1) поступают в антенну и излучаются в направлении антенной системы космической станции.
В режиме приема, данные с космической станции, принятые антенной через ЧРУ 1 поступают в малошумящий усилитель (МШУ), усиливаются, ЧРУ 2 распределяются по приемным каналам. В канальных приемниках данные демодулируются, декодируются и согласно применяемым протоколам форматируются в информационные сообщения, предназначенные для адресатов.
Отметим, что ЧСУ работает в диапазоне частот, выделенных для линии связи «земная станция – спутник связи», ЧРУ 2 работает в диапазоне частот «спутник связи- земная стация», ЧРУ 1 разделяет частоты линий связи в верх и вниз. Содержание каждой составляющей на рис. 1.4 представляет достаточно сложные технические решение и самым существенным образом зависит от элементной радиоэлектронной базы.
Упрощенная структурная схема космической станции изображена на рис. 1.5.
Приемная антенная Рис. 1.5. Упрощенная структурная схема космической станции Космическая станция, является ретранслятором сигналов земной станции. Космическая станция может иметь несколько приемных и передающих антенн, объединенных в антенные системы. Антенные системы могут принимать сигналы с заданных направлений узким или широким лучом. Передающие антенные системы излучают ретранслированный сигнал в расчетные области земной поверхности и околоземного пространства. Кроме того, антенные системы космической станции могут осуществлять межспутниковую связь.
В зависимости от режима работы, переключатель приемных антенн подключает соответствующую антенну, принятый сигнал на частоте, выделенной для линии связи «земная станция – спутник связи» усиливается МШУ преобразуется в сигнал с несущей частотой, выделенной для линии связи «спутник связи- земная стация», усиливается усилителем мощности, через переключатель поступает в передающую антенную системы и излучается в направление антенны земной (земных) станции.
Из принципиальных отличий спутниковых систем связи от традиционных можно выделить два. Первое состоит в том, что космическая станция- ретранслятор размещается на спутнике связи, который движется вокруг земли по определенной орбите. Второе отличие заключается в особенностях характеристик направленности антенных систем космических станций. Антенные системы КС должны создавать в определенных зонах земной поверхности плотность потока мощности достаточную для выделения полезного сигнала, содержащего информационные сообщения.
Орбиты спутников. Орбита спутника это траектория движения космического аппарата вокруг Земли. Спутники могут перемещаться по орбитам в экваториальной плоскости (экваториальная орбита); плоскостях, проходящих через оба полюса Земли (полярные орбиты);
плокостях, пересекающих экватор и центр масс Земли (наклонные орбиты). В зависимости от высоты над уровнем моря орбиты спутников классифицируют как низкие околоземные орбиты (low-earth orbit- LEO, высота 200- 2000 км), средняя околоземная орбита (medium Earth orbit – MEO, высота 5 -20 тыс. км), геостационарная орбита (Geostationary [Geosynchronous] Earth Orbit – GEO).
Орбиты спутников изображены на рис. 1.6. На рис. 1.6, а орбиты 5 и 3 полярные;
Рис. 1.6. Орбиты спутников: а- в системе координат XYZ, б- проекции орбит на плоскость XY ( плоскость экватора Земли) орбита 28- наклонная; орбита 72- геостационарная.
Характерной особенностью геостационарной орбиты является то, что спутник связи движется по ней с угловой скоростью, равной скорости вращения Земли. В результате такого движения спутник всегда находится над одной и той же точкой на поверхности Земли. Эта точка определяется пересечением линии, соединяющей центр масс Земли со спутником, с поверхностью Земли.
Период вращения спутника вокруг Земли определяется из третьего закона Кеплера.
Аналитически третий закон Кеплера в поле тяготения Земли записывается следующим образом:
T - период вращения, a - большая полуось орбиты спутника (радиус орбиты), µ = 3.986005 10 2 - геоцентрическая гравитационная постоянная Земли.
В качестве примера определим радиус орбиты геостационарного спутника. Один виток геостационарного спутника должен выполняться примерно за 24 часа. Из формулы (1.1) получаем Подставив численные значения в формулу (1.2), получим a = 42241097.73 м. Если из полученного значения радиуса орбиты спутника вычесть радиус Земли (например, большую полуось эллипсоида равную 6378137.0 м), то высота орбиты геостационарного спутника над поверхностью Земли будет составлять 35862960.73 м.
1.1.6 Передача сигнала между космической и земной станциями, антенные системы Передача сигналов между космической и земной стациями в обоих направлениях осуществляется посредством антенных систем. Антенна это устройство, которое преобразует электрические сигналы станций в электромагнитные волны. Эффективность антенн обычно определяют с помощью всенаправленного источника излучения изотропного излучателя.
Изотропный излучатель это элемент, излучающий электромагнитные волны во всех направлениях.
На рис. 1. 7 изображен механизм изотропного излучения электромагнитных волн.
Изотропный элемент излучает электромагнитные волны во всех направления. По мере удаления от электромагнитных волн от излучателя интенсивность электромагнитного поля уменьшается. Изменение плотности потока мощности электромагнитного поля в зависимости от расстояния от излучателя подчиняется закону P( R) - плотность потока мощности электромагнитного поля на расстоянии R от изотропного излучателя;
Pии, [Вт]- мощность излучения излучателя ;
4 R 2, [м2]- площадь поверхности сферы радиуса R.
При эффективной передаче электромагнитных колебаний нет необходимости излучать энергию во всех направлениях. Излучение должно проводиться в направлениях, где расположены приемные (приемная) антенны. Приемная антенна извлекает из электромагнитного поля, создаваемого передающей антенной мощность, пропорциональную площади антенны (или эффективной поверхности антенны). Для эффективной передачи электромагнитных колебаний должны использоваться антенные системы, обладающие свойствами направленного излучения. Антенны земных станций проектируются таким образом, чтобы формировать направленное излучение в направлениях спутников связи. Антенны космических станций должны обеспечивать покрытие заданных секторов земной поверхности с требуемой величиной плотности потока мощности, которая пропорционально зависит от мощности передатчика.
В качестве примера дадим оценку энергетическому потенциалу, создаваемому навигационным спутником GPS на поверхности Земли и околоземном пространстве. Обратимся к рис. 1.8, на котором изображено распределение электромагнитной энергии, излучаемой антенной системой спутника GPS на поверхности Земли. На рис. 1.8 обозначено: S - положение навигационного спутника на орбите; О - центр Земли; З – положение антенны приемника потребителя для состояния, когда спутник находится в зените; М - положение антенны приемника потребителя для состояния, когда спутник находится на линии горизонта (минимальный угол видимости спутника); П - положение антенны приемника потребителя между точками З и М; Г, N - линии горизонта и нормаль в точке П; Е – угол видимости спутника потребителем;, - углы, отсчитываемые от нормали к апертуре передающей антенны спутника в направлениях к потребителю.
Рис. 1.8. Охват поверхности Земли электромагнитным излучением спутника GPS Электромагнитный сигнал от навигационного спутника распространяется прямолинейно и формирует на Земле зону устойчивого приема. Границей этой зоны является линия, полученная перемещением точки М по поверхности Земли при вращении образующей конуса SМ вокруг оси SO. Уровень сигнала в зоне приема зависит от мощности передатчика навигационного спутника, характеристик диаграммы направленности антенны навигационного спутника, расстояния от навигационного спутника до потребителя, потерь электромагнитной энергии в атмосфере. Рассмотрим эти составляющие.
При оценке составляющих поступим следующим образом. Сначала рассмотрим изменение интенсивности электромагнитного поля на поверхности Земли на интервале М – З и установим связь меду углами Е, при перемещении антенны потребителя из положений М в З, затем вычислим потери энергии в атмосфере. В заключение сформируем диаграмму направленности антенны навигационного спутника, которая обеспечивает оптимальное распределение энергии электромагнитного поля в зоне действия.
При прямолинейном распространении электромагнитных волн их интенсивность по мере удаления от источника излучения изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния. Средний радиус орбиты спутника OS = 26561750 м, радиус Земли ОЗ = 6378137 м.
Используя эти данные из треугольника OSM определим SM и SЗ. Расстояние SП и угол рассчитываются по формулам треугольника.
Потери мощности в свободном пространстве (в децибелах) рассчитываются по формуле:
где = 0.1904 м – длина волны электромагнитных колебаний, r – расстояние от источника излучения.
Угол с учетом (() определяется из соотношения Из выражений (1.3) и (1.5) определяется связь между углами E и, а по формуле (1.4), зная r рассчитывается неравномерность потерь мощности на поверхности Земли.
Результаты расчетов изображены на рис. 1.9 и рис. 1.10. Связь между углами E и иллюстрирует рис. 1.10, что будет использовано далее. Из данных рис. 1.9 следует, что на границе зоны облучения поверхности Земли из-за увеличения расстояния между навигационным спутником и потребителем потери мощности достигают -2.1 дБ при малых углах видимости; угол, при котором происходит облучение границы зоны составляет 13.8°. Если диаграмма направленности передающей антенны навигационного спутника будет иметь типичную форму для направленных антенн, то это приведет к еще большей неравномерности распределения электромагнитной энергии в зоне приема потребителя.
Рис. 1.9. Зависимость потерь от углов облучения поверхности Земли или видимости навигационного спутника рис. 1.11 приведены зависимости составляющих неравномерности потерь в зоне приема от угла видимости при неоптимизированной антенне навигационного спутника Представленные результаты показывают, что при неоптимизированной диаграмме направленности неравномерность распределения энергии в зоне приема превышает 6 дБ.
Для получения оптимального распределения электромагнитного поля в зоне устойчивого приема на навигационном спутнике GPS применяется антенная решетка, формирующая диаграмму направленности специальной формы [8, 9]. Упрощенная структура апертуры передающей антенны спутника GPS изображена на рис. 1. 12.
Антенная решетка содержит 12 излучающих элементов расположенных на двух концентрических окружностях и образующих две подрешетки. Восемь излучающих элементов размещены на внешней окружности радиуса 438.82 мм (внешняя подрешетка),четыре – на внутренней окружности радиуса 162. 4 мм (внутренняя подрешетка). Излучающим элементом является спиральная антенна. Подрешетки возбуждаются противофазными электромагнитными волнами, формируемыми системами распределения мощности. Во внутреннюю четырехэлементную подрешетку поступает, примерно 90% мощности, подводимой к антенне в целом.
Рис. 1.11. Зависимость составляющих потерь от угла видимости: 1- потери в атмосфере, 2- потери из-за разницы расстояний от спутника до потребителя, 3- потери, обусловленные диаграммой направленности, 4- суммарная неравномерность потерь Рис. 1. 12. Упрощенная структура апертуры передающей антенны спутника GPS Упрощенный расчет диаграммы направленности антенной решетки может быть выполнен с помощью соотношений [10]:
излучателя по полю в плоскостях и соответственно; U M (, ) - множитель антенной решетки;, - углы сферической системы координат : апертура антенной решетки лежит в плоскости X, Y и угол отсчитывается от оси X; ось Z направлена по нормали к апертуре в сторону Земли и угол отсчитывается от оси Z, центр системы координат совпадает с центром концентрических окружностей на рис. 1. 12.
Множитель антенной решетки рассчитывается по выражению [10]:
где U i - амплитуда электромагнитной волны, возбуждающая i-тый излучатель; xi, yi, zi – координаты фазового центра излучателя согласно рис. 1. 12.
Диаграмма направленности антенной решетки в основном определяется ее множителем. На рис. 1.13 изображены множители 4-х элементной внутренней подрешетки (линия 1), 8-ми элементной внешней подрешетки (линия 2) и результирующая 12 –ти элементной решетки (линия 3), рассчитанные по (1.6), (1.7) Как видно рис. 1.13 в центре ДН сформирован провал, а при углах излучения, соответствующих периферии зоны обслуживания имеет место увеличение интенсивности излучения. При такой ДН неравномерность потерь в зоне действия составляет 2 дБ (рис. 1.14).
Таким образом, при оптимизации ДН передающей антенны навигационного спутника неравномерность потерь снижается более чем на 4 дБ. Согласно [11] интенсивность сигнала в зоне видимости навигационного спутника на частоте L1 составляет (минус) 160 дБВт в центре и на периферии и (минус) 158 дБВт при угле видимости около 40° при приеме сигнала на линейно поляризованную всенаправленную антенну. Для более точного описания распределения энергии в зоне видимости необходимо применить строгие формулы для расчета ДН антенной решетки, учитывающие функцию направленности спирального излучателя и их взаимное влияние.
электромагнитным полем, генерируемым на навигационном спутнике.
Пространственная ДН антенной решетки навигационного спутник и ее проеция на плоскость xy изображена на рис. 1. 15.
1.2.1 Основные термины и определения Навигация – наука о способах выбора пути и методах вождения морских (речных) судов, летательных и космических аппаратов, решающая задачи выбора оптимального маршрута, определения местоположения, скорости, направления и других параметров движения объекта [12].
Задачи навигация непосредственно связаны с движением транспортных средств воздушных, морских (речных) судов, железнодорожного и автомобильного транспорта.
Авиаперевозки осуществляются в воздушном пространстве по определенным правилам и процедурам, которые регламентируются международными и национальными документами [13].
Движение морских судов осуществляется в водах, ограниченных свободой маневра (гавани, подходы к портам), других водах (акваториях морей, океанов), а также по внутренним водным путям (озера, искусственные водоемы, реки и другое) [14].
Под воздушным пространством, в котором перемещаются воздушные суда, понимается район заданных размеров, где должны выдерживаться требуемые навигационные характеристики. Воздушное пространство каждого государства определенным образом структурировано, разделено по высоте поверхностями параллельными Земле, между которыми проложены маршруты. Перемещение воздушного судна из одного пункта с известными координатами в другой выполняется различными методами наведения. Так, например, зональная навигация (RNAV) определяется как метод навигации, позволяющий воздушному судну выполнять полет по любой желаемой траектории в пределах границ, заданных определенным образом.
Движение воздушных судов осуществляется в воздушном пространстве определенных размеров с буквенными обозначениями классов A-G, в пределах которых могут выполняться конкретные виды полетов, определены правила полетов и процедуры обслуживания воздушного движения [15]. Контролируемое воздушное пространство в виде коридора, ограниченного соответствующими координатными поверхностями, называется воздушной трассой.
Движение воздушных судов обеспечивается сигналами наведения, вырабатываемыми оборудованием, размещенным на земле, в космическом пространстве и на воздушном судне.
В самом общем виде процесс движения воздушного судна может быть представлен в виде следующих стадий:
а) движение воздушного судна по аэродрому от места стоянки до точки отпускания тормозов на ВПП;
б) вылет- этап полета от точки отпускания тормозов до точки, в которой воздушное судно входит в воздушное пространство, обозначенное и контролируемое соответствующим типом RNP;
в) полет по маршруту – движение воздушного судна в воздушном пространстве, обозначенном и контролируемом соответствующими типами RNP для полета по маршруту;
г) заход на посадку- этап полета, начинающийся после завершения предыдущей стадии полета (полета по маршруту, нахождения в зоне ожидания) и заканчивающийся на относительной или абсолютной высоте принятия решения (для категории IIIC у порога ВПП);
д) посадка – этап полета, заканчивающийся после пробега ВС по ВПП;
е) движение воздушного судна по аэродрому до места стоянки.
Проекция траектории движения воздушного судна на поверхность земли, направление которой в любой ее точке обычно выражается в градусах угла, отсчитываемого от северного направления (истинного, магнитного или условного меридианов) называется линий пути.
Аэронавигационные данные – координатно-временная информация необходимая для обеспечения обслуживания воздушного движения на всех стадиях полета. Аэронавигационные данные подразделяются на три категории:
- критические данные (риск потери целостности данных 10-8), под которыми понимается, что применение искаженных данных при продолжении полета с большой вероятностью может привести к катастрофе;
- важные данные (риск потери целостности данных 10-5), под которыми понимается, что применение искаженных данных при продолжении полета с малой вероятностью может привести к катастрофе;
обычные данные (риск потери целостности данных 10-3), под которыми понимается, что применение искаженных данных при продолжении полета с очень малой вероятностью может привести к катастрофе.
Качество данных. Степень или уровень вероятности того, что предоставленные данные отвечают требованиям пользователя данных с точки зрения точности, разрешения и целостности.
Точность навигационных данных основывается на 95% доверительном интервале. Навигационные данные подразделяются на съемочные, расчетные и объявленные. Требования к качеству некоторых аэронавигационных данных приведены в таблица 1. 4 и [16] Точки границ района полетной информации, 2 км или 1 мин Точки границ районов P, R, D (внутри границ 100 м Маршрутные навигационные средства и кон- 100 м трольные точки, пункт ожидания, точки съемочные или STAR/SID, препятствия на маршруте расчетные Превышение аэродрома (вертодрома), волна 0.5 м 1 м (фут) 1 м (фут) ВПП или FATO (при неточных заходах на съемочные посадку), волна геоида WGS-84 на пороге ВПП, FATO, геометрическом центре TLOF (при неточных заходах на посадку) на пороге ВПП или FATO, в геометрическом 0. 1 фут или 0. 1 фут или 0.1 фут критические центре TLOF (для точных заходов на посад- съемочные диомаяка ILS и азимутальной антенны MLS посадочная дистанция, длина пробега, дистан- съемочные ция взлета, дистанция прерванного взлета Расстояние между маркерами ILS, фазовыми Примечания:
1)control area; СТА (диспетчерский район; СТА Контролируемое воздушное пространство, простирающееся вверх от установленной над земной поверхностью границы.) 2) standard instrument arrival; STAR (стандартный маршрут прибытия по приборам) 3) standard instrument departure; SID (стандартный маршрут вылета по приборам) 4) touchdown and lift-off area; TLOF (зона приземления и отрыва для вертолетов) 5) final approach and take-off area; FATO (зона конечного этапа захода на посадку и взлета) Полет воздушного судна – процедура движения воздушного судна, выполняемая в соответствии с правилами полета по приборам (ППП) или правилами визуального полета (ПВП).
Зона приземления. Участок ВПП за ее порогом, предназначенный для первого касания ВПП приземляющимися самолетами.
Контрольная точка аэродрома. Точка, определяющая географическое местоположение аэродрома.
Единицы измерения. Большинство задач, решаемых в навигации, связаны с измерениями и определениями расстояний, скоростей и углов. Для определения этих величин ICAO предоставляет государствам право применять единицы измерений из международной системы SI, а также несистемные, известив об этом ICAO. В основе международной системы единиц SI устанавливаются следующие основные единицы:
- единица длины метр (м, m);
- единица массы килограмм (кг, kg);
- единица времени секунда (сек, s);
- единица измерения температуры градус Кельвина (°К, K°);
- единица силы света свеча (св, cd);
и дополнительные единицы:
- единица измерения плоского угла радиан (рад, rad);
- единица измерения телесного угла стерадиан (стер, sr).
Производные единицы, например, площадь, объем, скорость, угловая скорость, ускорение, угловое ускорение и др. выражаются через основные и дополнительные единицы, масштаб которых равен единице. Так угловое ускорение представляется как рад/сек2= (1 рад)/(1 сек)2.
Кратные и дольные единицы измерений в системе SI образуются с помощью множителей таблица 1. 5.
Значения кратности и дольности Название при- Обозначения буквенные Помимо единиц измерения системы SI в авиационной и морской навигации используют единицы измерения, традиционно применяемые в процессе развития навигации (таблица 1.
6).
Дадим определения некоторых единиц измерения и приведем формулы и коэффициенты связи между несистемными единицами и системой SI.
Морская миля определяется как длина одной минуты дуги меридиана эллипсоида Красовского на широте 44°18.
Кабельтов - 0.1морской мили.
Узел- скорость равная одной морской миле в час.
Число Маха – безразмерная величина, равная отношению скорости движения объекта к скорости распространения звука. "Метод числа Маха" применяется при выдаче диспетчерских разрешений на выдерживание определенной скорости движения воздушного судна в виде числа Маха для обеспечения требуемого продольного эшелонирования воздушных судов, летящих в одном и том направлении или выполняющие набор (снижение) высоты до одного и того же эшелона.
Радиан - плоский центральный угол между двумя радиусами окружности, вырезающими дугу, равную длине радиуса.
Градус – плоский центральный угол между двумя радиусами окружности, вырезающими дугу, равную 1/360 части длины окружности.
Румб - плоский центральный угол между двумя радиусами окружности, вырезающими дугу, равную 1/24 части длины окружности.
Связь между радианной и градусной мерами измерения углов устанавливается с помощью пропорции Из решений (1.8 - 1.9) определяются угол X в радианах, если N в градусах и угол Y в градусах, если M задан в радианах, соответственно Если учесть, что в одном градусе 60 минут или 3600 секунд, то один градус, одну угловую минута и одна угловую секунду в радианах получим из (1.10) Связь между другими единицами измерения расстояния приводится в таблица 1. 7.
сухопутная Отметим, что расстояния более 4000 м, как правило, измеряются в километрах морских милях, короткие расстояния – в метрах, высоты – в футах.
1.2.2 Навигационные характеристики Навигационные характеристики систем аэронавигационного обслуживания (АНО) определяются, как совокупность средств связи, навигации и наблюдения, обеспечивающие надлежащий уровень безопасности полетов авиации в пределах функционирования системы АНО [17].
В связи с тем, что воздушные суда оснащаются аппаратурой зональной навигации (RNAV), использование которой позволяет внедрить гибкую систему маршрутов, а также по ряду других соображений ИКАО приняло концепцию требуемых навигационных характеристик (RNP) [18].
Внедрение RNP позволит обеспечить воздушным судам определение своего местоположения в строго определенном районе воздушного пространства с требуемой точностью.
Это даст возможность эффективно использовать воздушное пространство. Тип RNP представляет собой показатель точности навигационных характеристик в пределах определенного воздушного пространства и включает погрешности навигационного датчика, бортового приемника, аппаратуры отображения данных, техники пилотирования и обозначает, что с вероятностью 95% траектория воздушного судна не будет выходить за указанные пределы во время выполнения полета.
Некоторые типы RNP для полета по маршруту приведены в таблица 1. 8.
Приведенные в таблица 1. 8 типы RNP определяют минимальную точность навигации, которая должна обеспечивается с учетом установленного уровня удерживания (рис. 1.16).
Рис. 1.16. Характеристики погрешностей навигационной системы в горизонтальной плоскости: 1- поверхности удерживания (тип RNP), 2 – желаемая траектория движения ВС, 3 – истинное положение ВС, 4 – расчетное положение ВС, TSE – общая погрешность навигационной системы, FTE – погрешность из-за техники пилотирования, NSE – погрешность навигационной системы Типы RNP для полета по маршруту, этапов захода на посадку, посадки и вылета определяется в показателях требуемой точности, целостности, непрерывности и эксплуатационной готовности обслуживания (рис. 1. 17).
Как правило, на маршруте типы RNP содержат требования к показателю точности характеристик только в горизонтальной плоскости. Типы RNP (табл. 1. 6) для этапов захода на посадку и посадки требуют соответствующее выдерживание траектории в горизонтальной и вертикальной плоскостях и обозначаются как RNP L/H, где L – отклонение от линии заданного пути в горизонтальной плоскости (м. мили), H- то же в вертикальной плоскости (футы).
Рассмотрим понятия точности, целостности, непрерывности и эксплутационной готовности применительно к составляющим RNP (рис. 1. 17)..
Составляющие риска потери Составляющие риска потери Составляющие риска потери Составляющие риска потери Точность- степень соответствия расчетного или измеренного местоположения и (или) скорости платформы в данный момент времени истинному местоположению или скорости.
Точность обеспечения радионавигации выражается в виде статистической меры погрешности системы и указывается как:
прогнозируемая - точность местоположения относительно земных географических или геодезических координат;
повторяемая - точность, с которой пользователь может возвратиться в местоположение, координаты которого были измерены в предшествующий момент времени той же навигационной системой;
относительная - точность, с которой пользователь может определить одно местоположение относительно другого независимо от любой погрешности определения соответствующих истинных местоположений.
Точность использования системы - сочетание погрешностей навигационного датчика, бортового приемника, погрешности отображения и погрешности пилотирования.
Непрерывность- способность системы функционировать без перерывов с заданными рабочими характеристиками в течение заданного периода. Характеризуется соответствующей вероятностью.
Целостность- мера доверия, относящаяся к правильности информации выдаваемой системой в целом, и включает в себя способность системы обеспечивать пользователя своевременным и достоверным предупреждением (например, срабатыванием сигнализации) в тех случаях, когда система не должна использоваться для намеченной операции или этапа полета.
Эксплуатационная готовность - определяется долей времени, в течение которого система, используемая для навигации, обеспечивает надежную навигационную информацию экипажу, автопилоту или другим системам, управляющим полетом воздушного судна.
Точность, целостность, непрерывность, эксплуатационная готовность есть вероятностными характеристиками. Они оцениваются через понятия рисков:
риск потери точности определяется вероятностью того, что при отсутствие отказов навигационной системы совокупность ошибок присущая ее функциям может превысить предел погрешности, установленный для поверхности выдерживания;
риск потери целостности – вероятность превышения пределов погрешности навигационной системы из-за отказа навигационной функции, не выявленной системой контроля;
риск потери непрерывности – вероятность превышения пределов поверхности выдерживания из-за контролируемого отказа во время критического периода захода на посадку;
риск потери эксплуатационной готовности – вероятность того, что требуемое наведение ВС навигационной системой не может быть выполнено при начале планируемой операции.
1.2.3 Морская навигация Для безопасного мореплавания ИМО был создан стандарт, предъявляющий требования к точности вождения морских судов (резолюция А529). При движении морских судов в других водах со скоростью менее 30 узлов требования к точности определения координат задаются расстоянием d от навигационной опасности, допустимой погрешности определения текущего местоположения судна равной 0.04d, но не более 4 м. миль, погрешностью определения местоположения судна (95%) и допустимым временем плавания судна по счислению.
Требования приведены в таблица 1. 10.
Счислением координат (пути) морского судна (счисление) называется вычисление текущих координат от известных координат по времени, курсу, скорости с учетом влияния ветра и течения.
Навигационная опасность - обнаруженные препятствия, несудоходные глубины, границы опасных и запретных районов, нанесенные на карту.
Определение допустимого времени плавания по счислению Расстояние от Допустимая погреш- Погрешность определения местоположения Таблица применяется следующим образом. При известных расстоянии до навигационной опасности (колонка 1 таблица 1. 10) и погрешности определения местоположения в колонках 3…7 таблица 1. 10 определяется допустимой время плавания по счислению пути. Например, навигационная опасность находится на расстоянии 50 м. миль, погрешность определения местоположения 1 м. миля, тогда согласно табл. допустимое время плавания по счислению должно быть менее 87 минут и затем необходимо проводить определение местоположения судна.
1.3 Наблюдение 1.3.1 Тенденций развития систем наблюдения Помимо систем связи и навигации важной составляющей будущей аэронавигационной системы (CNS/ATM) являются системы наблюдения. Различают несколько видов реализации наблюдения за воздушными судами, а именно: независимое наблюдение, совместное наблюдение и автоматическое зависимое наблюдение (ADS).
Независимое наблюдение реализуется посредством первичных радиолокаторов, которые осуществляют обнаружение воздушных судов, определение дальности и азимута. Радиолокаторы обзора летного поля используются для обнаружения и определения местоположения самолетов и наземных транспортных средств на взлетно-посадочных полосах и рулежных дорожках. Характерной особенностью развития службы наблюдения является уменьшение использования первичных обзорных радиолокаторов.
Совместное наблюдение основывается на использовании вторичных обзорных радиолокаторов для определения местоположения (плановых координат) воздушного судна, присвоенного кода и, в большинстве случаев, барометрической высоты путем запроса бортового ответчика. Широкое распространение (в США и других странах) получили бортовые транспондеры типа Mode 3/A и Mode 3/C, отличия между которыми заключаются в том, что транспондер типа Mode 3/C сообщает помимо кода воздушного судна еще и его барометрическую высоту. Значительно более совершенными являются транспондеры типа Мode-S, которые обеспечивают воздушному судну еще и канал передачи данных.
Автоматическое зависимое наблюдение основывается на беззапросной передаче в наземные системы информации о местоположении воздушного судна, его скорости, ближайших путевых точках и другой информации посредством той или иной линии передачи данных. Иногда автоматическое зависимое наблюдение подразделяют на адресуемое автоматическое зависимое наблюдение (ADS-A) и автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания (ADS-B). В документах ИКАО под ADS понимается именно ADS-A.
Адресуемое автоматическое зависимое наблюдение (ADS-A) представляет собой форму ADS для полетов над океанами и реализуется посредством установленной на воздушных судах аппаратуры FANS –1/A, цифровые сигналы с которой через геостационарные спутники ИНМАРСАТ и наземные станции спутниковой системы направляются через те или иные наземные линии передачи данных в адресуемый аэропорт или авиакомпанию. В настоящее время ADS-A используется воздушными судами ряда авиакомпаний на океанических маршрутах. Но в подавляющем случае для определения местоположения самолетов на океанических маршрутах используется аналоговая высокочастотная связь, поставщиком которой обычно выступает корпорация ARINC.
Автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания (ADS-В) использует для передачи информации в наземные системы линии связи "воздух-земля" ОВЧ – диапазона.
В настоящее время в воздушном пространстве континентальной части земной поверхности наблюдение воздушных судов осуществляется первичными и вторичными радиолокаторами. И если запланировано в США и Европейском союзе уменьшение, начиная с 1999 г., использования первичных радиолокаторов с целью наблюдения воздушных судов, то вторичные радиолокаторы останутся до 2007-2010 г.г. основным средством наблюдения в воздушном пространстве США и стран Центральной Европы [19, 20, 21].
Однако для стран Европы, в которых плотность воздушного движения значительно меньше, чем в Центральной Европе и США, весьма привлекательным является вариант раннего внедрения ADS-В, а не весьма затратный вариант со вторичными радиолокаторами с запросчиками типа Мode-S, поскольку стоимость аппаратуры ADS-В существенно меньше.
Внедрение линий передачи данных "воздух-земля" ОВЧ – диапазона наряду с достаточными и надежными бортовыми навигационными системами (например, приемники GNSS, работающие в дифференциальном режиме) позволяет предоставлять информацию наблюдения в тех районах, в которых такой вид обслуживания как наблюдение в нынешней инфраструктуре не предусмотрен, и в тех районах, где внедрение вторичных радиолокаторов считается трудным, неэкономичным или даже невозможным. При осуществлении функции ADS-В в целях организации воздушного движения с борта воздушного судна автоматически передается по линии передачи данных информация, полученная от бортовых навигационных систем. Как минимум, эта информация должна содержать данные о местоположении в четырех измерениях. Данные ADS-В будут использоваться автоматизированными системами УВД для представления информации диспетчеру. Помимо районов, в которых единственным видом информации о движении являются донесения пилотов о местоположении, ADS-В будет полезным и в других районах, включая районы с высокой плотностью воздушного движения, где эту информацию можно использовать в качестве дополнительной и/или резервной к данным вторичного обзорного радиолокатора и тем самым уменьшить зависимость от первичного радиолокатора. Следует подчеркнуть, что автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания обеспечивает две дополнительные возможности, которые отсутствуют в случае первичного и вторичного обзорных радиолокаторов. Первая из них заключается в том, что при надлежащем выборе типа линии передачи ОВЧ – диапазона для воздушных судов, оборудованных аппаратурой ADS-В, возникает возможность получать на экранах CDTI (cockpit display traffic information) изображение окружающего воздушного пространства путем приема сигналов ADS-В других воздушных судов, оборудованных аппаратурой ADS-В. В результате резко уменьшается вероятность столкновения самолетов. Вторая возможность заключается в том, чтобы в сочетании со средствами дифференциальной спутниковой навигации обеспечивать представление диспетчером информации о местоположении воздушных судов и других транспортных средств на поверхности аэродрома.
Достоинства ADS-В на основе линии передачи данных обусловили выполнение широкомасштабных проектов странами Северной Европы (Швеция, Дания, Германия), обеспечивающее раннее (с 2003 г.) реальное внедрение ADS-В [22, 23]. Первым их них был проект NEAN (North European ADS-В Network), начавшейся в 1995 г. и оконченный в 1998 г. Однако предварительные работы по.разработки ADS-B начались в 1992 г. с экспериментов по оптимальному выбору характеристик линии передачи данных для трансляции информации с воздушного судна [21]. По результатам исследований выбор был сделан в пользу линии передачи VDL mode 4, характерными особенностями которой являются следующие:
способ доступа – самоорганизующийся множественный доступ с разделением времени (self – organizing access – STDMA);
диапазон частот – 108-137 МГц;
полоса частот канала – 25 КГц;
вид модуляции – гауссовская частотная манипуляция (GFSK).
скорость передачи данных – 19200 бод.
Выбор VDL mode 4 или VDL mode 3 обусловлен следующими причинами [21]:
- VDL mode 4 обеспечивает возможность отображения на CDTI информации ADS-B, включая ASAS, а также TIS-B, FIS-B, GNSS дополнение, CPDLC и другие и обеспечивает возможность цифровой связи по линии "воздух-воздух". Что касается VDL mode 3, то для нее невозможна связь по линии "воздух-воздух", так как обязательно требуется наземная станция;
- VDL mode 4 поддерживает все виды применений линии передачи данных, а VDL mode 3 не поддерживает связи по линии "воздух-воздух" и неприемлема для критических отношений времени за исключением областей с очень низкой плотностью воздушного движения;
- VDL mode 2 и VDL mode 3 имеют более низкую емкость и требуют более широкой полосы частот по сравнению с VDL mode 4;
- VDL mode 2 очень быстро перегружается, в отличие от VDL mode 4.
Проект NEAN финансировался Европейской Комиссией, и в процессе его выполнения была разработана и развернута сеть из 25-ти STDMA / VDL mode 4 наземных станций, а также бортовая аппаратура и аппаратура наземных транспортных средств, что обеспечило возможность оценить решение с помощью сетки NEAN задач навигации, связи и наблюдения (CNS). Сеть наземных станций NEAN обеспечивает согласующееся перекрытие большей части Северной Европы. Наземные станции обмениваются данными с воздушными судами и наземными пользователями. В результате выполнения проекта NEAN достигнута его главная цель – создание инфраструктуры для реализации автоматического зависимого наблюдения с режимом радиовещания на основе VDL mode 4. Другие европейские проекты, использующие такие же концепции и технологии, а именно: The North Atlantic ADS-B Network (NAAN), the East European Prototype ADS-B Network (EEPAN) расширили инфраструктуру NEAN на большую часть Европы, включая страны Прибалтики и прилегающие к ним области России и охватывают воздушное пространство от Стокгольма до Италии. Главными участниками вышеупомянутых проектов были Deutche Flugsicherunk (DFS), the Swedish, Doings, Ice landing, Italy, Lateran and Irish Civil Avian Lion Administration, ГОС НИИ авиационных систем и ГОС НИИ Аэронавигации (Россия), Scandinavian Airlines (SAS), Frankfurt Airport, Alitalia, Eurocontrol и др.
Полученные при выполнении вышеупомянутых проектов позитивные результаты обеспечили основу долговременной стратегии для продолжения работ вплоть до внедрения ADSB на различных этапах полета. Эта стратегия оформлена в виде NEAM update program (NUP) программы [23].
Программа НИР реализуется в два этапа. Первый этап с 1999 г. по 2001г. и второй этап с июля 2001г. по 2005г. Цель второго этапа НИР заключается в том, чтобы довести базирующееся на ADS-B применение до предэксплуатационного уровня. Состав участников расширен за счет EADS-B/Airbus STNA/DGBAS/Sofreavio (Франция). EADS-B/Airbus выполнила технический анализ необходимых модификаций кабины самолета, установок антенн, интеграции ADS-B с архитектурой современных самолетов. Разработаны также HMI (human-machine interface) и RFI (request for information) для производителей авионики. Параллельно разработаны (к маю 2001г.) наземные станции (5 штук) способные осуществлять функции ADS-B, TIS-B, FIS-B (ATIS,RVR), а также дифференциальной GNSS, т.е. фактически интегрирующие функции систем связи, навигации и наблюдения. Эти станции будут установлены в Швеции, Дании, Германии, Франции для проверки эффективности интеграции аппаратуры CNS.
Второй этап НИР должен окончиться аттестацией (validation) инфраструктуры. Темпы введения в эксплуатацию будут разными в разных странах. Наибольшая активность имеет место в Швеции и России. В Швеции реализуется программа по развертыванию сети из наземных станций, которые будут установлены в каждом, контролируемом гражданской авиацией аэропортах до 2005 г. В России еще в январе 1998 г. ФСАТ, Государственная корпорация ATM России, Государственное НИИ «Аэронавигация» и Государственное НИИ Авиационных систем приняли совместное решение о проведении экспериментальных работ в области разработки аппаратуры VDL mode 4 в интересах ADS-B и других служб обеспечения воздушного движения. По результатам экспериментов в октябре 1999г. ФСАТ России принял решение (подписан приказ), согласно которому с 1.10.2005 года начинается применение ADS-B в гражданской авиации в качестве средства управления воздушным движением.
Существуют два основных типа систем наблюдения за подвижными объектами: системы зависимого наблюдения и системы независимого наблюдения. Независимое наблюдение осуществляется наземной системой, которая определяет местоположение воздушного судна, например, с помощью радиолокатора, который измеряет дальность до воздушного судна и его азимут. В системах зависимого наблюдения данные о местоположении воздушного судна вычисляются на борту с помощью бортового навигационного оборудования и передаются по каналу связи органу управления воздушным движением (УВД).
В приложении 10 определено, что автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания (ADS-B) есть метод наблюдения, при котором воздушные суда автоматически передают по линии передачи данных радиовещательного типа информацию, полученную с бортовых навигационных систем и систем определения местоположения, включая опознавательный индекс воздушного судна, местоположение в четырех измерениях и, при необходимости, дополнительные данные.
Автоматическое зависимое наблюдение воздушных судов интенсивно внедряется различными государствами. Значительное внимание этой функции уделяется ИКОО и ЕВРООНТРОЛем.
В Швеции на базе VDL режима 4 внедрено ADS-B. На первом этапе внедрения обеспечивались наблюдение в районах, не охваченных радиолокаторами и наблидение за движением транспортных средств по поверхности аэродрома.
В России планируется создание сети наземных станций ADS-B на базе VDL режима 4.
Государственная служба гражданской авиации России приняла концепцию и программу поэтапного внедрения ADS-B. В России ведется сертификация разработанного оборудования для автоматического зависимого наблюдения.
Усовершенствованный метод автоматического зависимого наблюдения, называюшийся ADS-B (автоматическое зависимое наблюдение в режиме B) подразумевает периодическую передачу цифровых данных о координатах и времени ВС нескольким воздушным и органам ATM.
1.3.2 Структуры систем наблюдения Структура системы зависимого наблюдения при полете воздушных судов в областях недоступных для радиолокаторов (полет ВС над океаном) изображена на рис. 1.18.
Функционирование системы осуществляется следующим образом. Воздушные суда определяют свое местоположение и время с помощью спутниковой системы радионавигации.
«