CC BY
208
2005
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 87(5)
УДК 621.391
ПОСТРОЕНИЕ ЕДИНОГО СПУТНИКОВОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В РАМКАХ РЕАЛИЗАЦИИ КОНЦЕПЦИИ CNS/ATM
А.Ю. Смоленцева
Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.
Рассматривается принцип построения единого канала передачи информации с использованием спутниковых телекоммуникаций в рамках реализации концепции CNS/ATM.
Эксплуатация воздушных судов новых типов и возрастающая интенсивность воздушного движения гражданской авиации ведут к увеличению информационных потоков, предъявляя серьезные требования к авиационным системам связи. В то же время существующие линии связи метрового диапазона не позволяют обеспечить глобальную зону действия из-за ограничения дальности прямой радиовидимостью. Связь в ДКМВ диапазоне имеет ограничения с точки зрения надежности, обусловленные в основном условиями распространения радиоволн. Все это требует новых подходов к задаче обеспечения авиационной воздушной радиосвязи, особенно при полетах в океанических и удаленных континентальных районах, а также на малых высотах, поскольку дальнейшие меры по совершенствованию традиционных средств в этих условиях связаны с огромными материальными затратами и не приведут к полному решению данной задачи.
Со стороны ICAO была признана необходимость совершенствования систем связи, навигации и наблюдения (CNS - Communication, Navigation, Surveillance) для целей организации воздушного движения (АТМ). В соответствии с концепцией CNS/ATM [1,2] данные с борта воздушного судна должны передаваться в автоматическом режиме в центр УВД. Организация службы наблюдения по указанной выше схеме получила название автоматического зависимого наблюдения (АЗН).
После нескольких лет работы Комитет по будущим аэронавигационным системам FANS ICAO опубликовал доклад [1], в котором основным выводом стало заявление о необходимости перехода от технологии аэронавигационных средств наземного базирования к технологии космического базирования. Предложенная Комитетом FANS концепция представляет собой набор спутниковой технологии и систем с зоной действия в пределах прямой видимости как для речевой связи, так и для передачи данных.
Проблема острой нехватки функционирующих космических аппаратов и дефицита частот делает актуальной задачу создания единого спутникового канала для передачи информации с использованием ресурса уже имеющихся спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США). Предполагается одновременная передача по существующему каналу СРНС помимо стандартного навигационного сообщения спутниковой системы также речевой информации по линии «диспетчер-борт» и автоматическая передача навигационных данных с борта воздушного судна (ВС) в центр УВД в соответствии с технологией АЗН. При этом, согласно рекомендациям ICAO [1] на участках «воздушное судно-навигационный искусственный спутник Земли» (ВС-ИСЗ) на линии «земля-космос» должен использоваться диапазон частот 1646,5 - 1660,5 МГц. Для связи с земными станциями (ЗС) воздушной подвижной спутниковой службы связи используется частота 6 ГГц на линии ЗС-НИСЗ. Таким образом, в ретрансляторе НИСЗ должно осуществляться преобразование частоты 1,6 ГГц, используемой на линии «ВС-НИСЗ», и 6 ГГц, используемой на линии «ЗС-НИСЗ», в несущую частоту радиосигналов навигационных ИСЗ. Структурная схема предлагаемой системы приведена на рис.1.
Существующие сетевые СРНС типа ГЛОНАСС и GPS обеспечивают наличие в зоне видимости нескольких (4-8) космических аппаратов, находящихся на средневысотных орбитах (20 тыс. км). В табл.1 [3] приведены общесистемные характеристики СРНС ГЛОНАСС и GPS.
Таблица 1
Системные характеристики СРНС ГЛОНАСС и ОР8
Параметр, способ ГЛОНАСС GPS
Число НС (резерв) 24 (3) 24 (3)
Число орбитальных плоскостей 3 6
Число НС в орбитальной плоскости 8 4
Тип орбит Круговая Круговая
Высота орбит, км 19100 20145
Способ разделения сигналов НС Частотный
Несущие частоты навигационных ра- Кодовый
диосигналов, МГц: Ь1 1602,5625...1615,5 1575,42
Ь2 1246,4375... 1256,5 1227,6
Период повторения псевдослучайной
последовательности (дальномерного 1 мс 1 мс (С/А-код)
кода или его сегмента) 7 дней (Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГц 0,511 1,023 (С/А-код)
Скорость передачи цифровой инфор- 10,23 (Р-код)
мации (ответственно СИ- и Б-код),
бит/с 50 50
Длительность суперкадра, мин. 2,5 12,5
Число кадров в суперкадре 5 25
Число строк в кадре 15 5
Система отсчетов времени UTC (SU) UTC (USNO)
Рис. 1. Структурная схема спутниковой системы связи, навигации и наблюдения: НИСЗі - і—й навигационный ИСЗ; НС - навигационное сообщение спутника;
РС -речевое сообщение; АЗН - сообщение АЗН; ВС - воздушное судно
В системе GPS сигнал для навигационных определений излучается на частоте 1575,42 МГц. Сигнал, излучаемый i-м спутником, можно представить в виде:
Si (t ) = ApXPi (t ) Di (t ) cos( wt + j) + AcXGr (t )Dr (t ) sin( wt + j), (1)
где w = 2pf1 j - небольшой фазовый шум, образуемый за счет осцилляции и ухода частоты цезиевого или рубидиевого стандарта передатчика навигационного спутника. Высокоточный защищенный дальномерный код Р XPi(t) представляет собой псевдослучайную последовательность ± 1 с периодом повторения приблизительно одна неделя [3]. Коды данных D(t) также имеют амплитуду ± 1 при скорости передачи 50 Гц. Для гражданских пользователей используется код пониженной точности C/А XGj(t), представляющий собой код Голда с периодом 1 мс. Он формируется из двух последовательностей 10-разрядного регистра сдвига Gift) и G2(t) с образующими полиномами
Gi(t) = 1 +x3+x10, G2(t) = 1+x2+x3+x6+x8+x9+x10 (2)
по правилу
XG(t) = Gi(t)G2(t+mlTi), (3)
где mlT1 - фазовый сдвиг, соответствующий i-му навигационному спутнику;
Т1 = 10Т - длительность элементарного символа кода С/А.
В системе ГЛОНАСС для гражданского пользования отведен диапазон частот (1602,5625.. ,1615,5)МГц с частотным разделением каналов спутников [3]. Ширина полосы одного частотного канала составляет 562,5 кГц, пропускная способность - 562,5 кбит/сек. Сигнальная функция от i-го навигационного спутника может быть описана соотношением:
Si (t) = ahi (t - t ) c0s((wo + 2pdopi )t + jr X (4)
где А - амплитуда сигнала; h (t -ti ) - функция, обусловленная модуляцией дальномерным
кодом стандартной точности (СТ-код) и передачей навигационного сообщения; j - случайная
начальная фаза сигнала. При этом СТ-код представляет собой М-последовательность длиной L=511 элементов с порождающим полиномом B(x) =1+x5+x9. Код навигационной информации СИ-код представляет собой преобразованную цифровую последовательность навигационных данных, передаваемых потребителям. При этом навигационные данные подвергаются помехоустойчивому кодированию в соответствии с кодом Хэмминга с кодовым расстоянием, равным четырем.
При построении единого канала передачи информации встает задача разделения на приемной стороне навигационного и связного каналов. С учетом времени доставки сообщений абонентам наиболее эффективным представляется разделение по форме с использованием для этого свойств сигналов спутниковых СРНС (2) - (4), представляющих собой шумоподобные сигналы [7]. При этом следует учесть уровень взаимных помех.
Наибольшую трудность при разработке системы передачи информации представляют вопросы распределения ресурса спутниковой радиолинии между абонентами. Наибольшую сложность при обслуживании большого числа абонентов по одному каналу связи представляет разработка алгоритмов вхождения абонентов в связь и упорядочение передачи информации. При этом оказывается важным вопрос о том, кому должна принадлежать инициатива связи - воздушному судну или службе УВД.
При решении поставленных вопросов необходимо учесть, что при реализации временного разделения каналов встает проблема технического осуществления синхронизации работы оборудования пространственно разнесенных подвижных объектов, а при организации обмена информацией с кодовым разделением абонентов необходимо учитывать уровень взаимных помех.
Для решения этих проблем необходимо знать интенсивность информационных потоков в системах передачи данных «борт-земля».
Поток информации в системах УВД по каналам «борт-земля» можно рассматривать как совокупность парциальных потоков, связанных с отдельными воздушными судами. При полете по трассе каждое воздушное судно оказывается во взаимодействии с тремя информационными подсистемами - наблюдения, навигации и связи. В результате этого взаимодействия образуются парциальные потоки информации по наблюдению, навигации и связи соответственно [2, 5]. Причем интенсивность парциального потока в каждом случае может быть различна, поскольку она зависит от типа воздушного судна, типа воздушной трассы и степени непрерывности информационного поля подсистемы взаимодействия.
Парциальный поток информации по наблюдению зависит от скорости обзора воздушного пространства, скорости движения воздушного судна в зоне обзора и условий полета. Частота опроса, необходимая для обеспечения заданной точности прогнозирования местоположения воздушного судна на трассе, различна для различных условий полета (табл.2). Из табл. 2 [5] видно, что большая часть воздушных судов находится в ситуации, не требующей высокой частоты опроса.
Таблица 2
Частота опроса воздушного судна на трассе
Приоритет № №№ Возможная ситуация Вероятность данной Интервал опроса
п/п ситуации, % с
4 1 Ординарная ситуация 84,83 180
3 2 Маневр в горизонтальной плоскости 2,87 5
3 Маневр в вертикальной плоскости 5,71 5
4 Тенденция к нарушению границ трассы (маршрута) 5,33 30
2 5 Нарушение границ трассы (маршрута) 0,60 30
6 Тенденция к нарушению установленных норм эшелонирования 0,40 30
1 7 Нарушение установленных 0,15 5
8 норм эшелонирования Полет в особых условиях 0,05 5
9 Особые случаи в полете 0,01 5
10 Полеты, требующие специ-
ального контроля 0,10 5
Образование парциального потока информации по навигации аналогично потоку по наблюдению.
Наиболее сложным является поток информации по линиям связи, к основным характеристикам которого относятся [5]:
• виды сообщений по функциональной значимости, объединенные в группы;
• категории срочности доставки сообщений каждой группы; объем в битах;
• статистические характеристики потоков различных групп сообщений.
Все речевые сообщения по каналу «земля-борт-земля» разделяются по их функциональной значимости на следующие девять типов [5]:
1. Осведомительные сообщения.
2. Управляющие сообщения.
3. Контрольные сообщения.
4. Сообщения по изменению плана полета ВС.
5. Сообщения об опасных метеоявлениях.
6. Коммерческая информация.
7. Эксплуатационная информация.
8. Информация о метеоусловиях на трассе или в зоне аэродрома.
9. Сообщения об аварийной ситуации.
Анализ состава радиообмена «борт-земля» показал [5], что наиболее существенные доли в общем информационном потоке составляют сообщения 1, 2 и 3 типов. Для них были определены законы распределения длительности сообщений и интервалов между ними. Длительности сообщений 1-го, 2-го и 3-го типов подчиняются гамма-распределению:
па
Р(х) = ^-- ха-1 • е-ßx, (5)
Г(а)
где х - длительность сообщения; а, ß - параметры распределения.
Интервалы между сообщениями подчиняются экспоненциальному закону, параметр которого зависит от интенсивности воздушного движения и типа сообщения:
Р( х) = е-*, (6)
где х - интервал между сообщениями;
1 - параметр распределения.
Сообщения с 4-го по 9-й тип составляют малую долю от общего радиообмена и не превышают величины 5 %. Поэтому интенсивность передачи сообщений можно определять по сообщениям первых трех типов, вводя соответствующую поправку.
Продолжительность сеансов радиосвязи в среднем в зависимости от передаваемых сообщений составляет от 10 до 30 с. Если учесть, что информативность передаваемых сообщений составляет от 200 до 900 бит, средняя скорость передачи речевых сообщений составляет не более 30 бит/с. С переходом на спутниковые технологии информационный обмен, выполняемый в ходе обеспечения воздушного движения, может возрасти в существенной степени по сравнению с информационным обменом, осуществляемым традиционными средствами связи. Так, по материалам группы экспертов ICAO по авиационной подвижной спутниковой службе AMSSP интенсивность сообщений, не связанных с АЗН, для маршрутного движения будет превышать 50 сообщений в час в расчете на одно ВС [1, 2]. При этом речевая связь может использовать скорость передачи данных порядка 2400 бит/с или менее, используя вокодер с кодированием LPC [1]. Качество такой связи будет достаточным для целей УВД. Вводимая вокодером задержка составляет менее 200 мс.
Из анализа потоков абонентов видно, что при авиационной воздушной связи абоненты малоактивны, а их количество велико. В то же время потребность в связи может возникнуть в любой момент и в соответствии с требованиями ICAO связь должна быть установлена с задержкой, не превышающей 3-х секунд [1]. В этом случае при упорядоченном доступе канал будет предоставляться абоненту неоправданно часто без необходимости, а при свободном доступе большую часть времени каналы не будут использоваться. Поэтому для авиационной воздушной связи более экономным, с точки зрения использования пропускной способности систем передачи данных, является предоставление канала по требованию на время передачи одного сообщения с передачей адреса в качестве служебной информации.
Применение АЗН в различных районах должно осуществляться в соответствии с требованиями конкретного воздушного пространства. Для обеспечения внедрения системы с различными уровнями совершенства сообщения АЗН объединяются в группы основных, удлиненных и вспомогательных сообщений (табл. 3) [1, 2]. Основные сообщения представляют собой минимум, необходимый для всех видов применения АЗН (табл.3 а). Они передаются с интервалом, который может варьироваться по требованию службы ОВД, однако не реже, чем каждые 10 с. Удлиненные сообщения могут потребоваться для применения АЗН в конкретном районе в соответствии с региональным соглашением (табл.3 Ь). Вспомогательные (связанные с АЗН) сообщения несут информацию об окружающей воздушное судно среде.
Таблица 3
АЗН и связанные с ним сообщения а - основное сообщение АЗН
Условия передачи данных
Элементы данных в каждом сообщении по запросу Число битов
Широта/долгота X 42
Высота X 16
Время X 15
Показатель качества X 7
Поле активации/сообщения о возможностях АЗН X 16
Опознавательный индекс воздушного судна X 48
Ь - расширенное сообщение АЗН
Элементы данных Условия передачи данных Число битов
в каждом сообщении по запросу
Следующая точка маршрута X 42
Рассчитанная высота в сле-
дующей точке маршрута X 16
Линия пути/курс X 12+1
Вертикальная скорость X 12
Следующая точка маршрута+1
Рассчитанная высота в сле- X 42
дующей точке маршрута+1
ТАБ/число Маха X 16
X 13+1
с -связанные с АЗН сообщения
Элементы данных Условия передачи данных Число битов
в каждом сообщении по запросу
Скорость ветра X 9
Направление ветра X 9
Температура X 12
Номинальная частота обновления сообщений о местоположении воздушного судна равняется 5 мин. [1] с возможностью ее варьирования, когда это требуется для отражения наилучшей информации о местоположении воздушного судна, предполагаемой траектории полета, курсе и эксплуатационном состоянии бортовой навигационной системы (оповещение диспетчера о неудовлетворительном состоянии).
Следует отметить, что к технологическим системам связи, к которым относится система УВД с АЗН, предъявляются повышенные требования к достоверности передачи данных, характеризуемые вероятностью ошибочного приема символа не выше Pe=10-5, что может быть обеспечено лишь с использованием помехоустойчивого кодирования. Это, в свою очередь, требует определенной информационной избыточности и соответственно повышения скорости передачи данных (не ниже 600 бит/с) [1].
Оценка эффективности использования предложенной системы возможна по нескольким критериям [8], например:
• критерий максимализации коэффициента функциональной эффективности
P
max Кфэ = max -, Д min < Д < Д ^ (7)
где Р - вероятность выполнения поставленной задачи;
С - стоимость системы;
Д - ограничительные факторы;
• критерий минимума коэффициента ошибок при дискретной передаче информации
min Кош = Nam/N, (8)
где Ncm - число ошибочно принятых символов;
N - общее число переданных символов;
• критерий максимума коэффициента разборчивости для речевой связи
max Краз = Nаз/N, (9)
где Npa:з - число разборчивых сообщений (в рамках установленных требований);
N - общее количество сообщений;
• критерий максимума занятости каналов связи
W
max р =----—, (10)
W
г max
где Wi - количество информации, передаваемое по i-му каналу связи;
W max - пропускная способность i-го канала связи.
Внедрение предложенной системы потребует расходов на установку приемоответчика на навигационных спутниках. Эксплуатационные расходы будут включать расходы на обслуживание спутниковой связи, однако, они уменьшатся в результате использования ресурса одного и того же спутникового сегмента для целей навигации, связи и наблюдения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Доклад четвертого совещания Специального комитета по будущим аэронавигационным системам
FANS: FANS/4-WP/76.
2. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации/ Бочкарев ВВ., Кравцов В.Ф., Кры-жановский Г. А. и др.; Под ред. Г.А.Крыжановского. - М.:ИКЦ «Академкнига», 2003.
3. Сетевые спутниковые РНС. - 2-е изд., переработ. и доп.; Под ред. В.С.Шебшаевича -
М.:Радио и связь, 1993.
4. Кузьмин Б.И. Сети и системы авиационной цифровой электросвязи: Ч.1. Концепция ИКАО CNS/ATM: Учебное пособие; Под ред. В.А.Сарычева. - М.-С.-Пб.: Госкорпорация по ОВД; АГА,1999.
5. Разработка технических предложений по созданию автоматизированной системы цифровой связи «воздух-земля» с использованием существующих и разрабатываемых средств единой спутниковой системы
связи. Отчет о НИР. Тема №17-80. М.: МИИГА, 1980.
6. Исследование принципов построения спутниковой системы связи для обеспечения полетов ВС ГА
на МВЛ и ПАНХ. Отчет о НИР. Тема №13-86. М.: МИИГА, 1986.
7. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. - М.: Сов. радио, 1970.
8. Окунев Ю.Б., Плотников В.Г. Принципы системного подхода к проектированию в технике связи. - М.: Связь, 1976.
THE COMMON SATELLITE INFORMATION TRANSFER CHANNEL CONSTRUCTION FOR CNS/ATM
Smolentseva A.Y.
The common information transfer channel construction concept with usage of satellite télécommunications for CNS/ATM/
Сведения об авторе
Смоленцева Анастасия Юрьевна, окончила МГТУ ГА (2003), аспирант кафедры технической эксплуатации радиотехнического оборудования и связи МГТУ ГА, область научных интересов - системы передачи информации.
