CC BY
49
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
УДК 623.61:621.391
РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМНЫХ ФУНКЦИЙ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИИ О ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ НА БОРТУ ВОЗДУШНОГО СУДНА С ПОМОЩЬЮ СИСТЕМЫ ГЛОНАСС
А.И. ЛОГВИН, И.Д. ПЛАТОНОВ
Анализируется процедура обеспечения согласованности системных допущений для формирования сообщения о возникновении чрезвычайной ситуации на борту воздушного судна с использованием системы ГЛОНАСС.
Ключевые слова: система ГЛОНАСС, чрезвычайные ситуации, ВС.
В [1] показана возможность использования системы ГЛОНАСС для формирования сведений о чрезвычайных ситуациях, возникающих на борту воздушного судна (ВС). При этом возникает задача обеспечения согласованности системных функций при формировании соответствующего сообщения. Этот вопрос подробно рассматривается в данной работе.
Для выполнения процедур формирования и выдачи соответствующим службам информации об объекте чрезвычайной ситуации (ОЧС) можно выделить следующий ряд согласованных системных функций:
- идентификация наступления чрезвычайной ситуации (ЧС) на объекте;
- позиционирование (определение координат) местоположения ОЧС;
- формирование информационного сообщения (ИС), содержащего идентификационные данные, состояние и координаты местоположения ОЧС;
- передача ИС по адресу внешнего абонента (ВА), обеспечивающего непосредственную связь со службами спасения.
Идентификация наступления ЧС. Идентификация наступления ЧС может производиться средствами, присутствующими на ОЧС (объектовая идентификация наступления ЧС) либо внешними службами, связанными с наблюдением за поведением объекта, на котором возможно возникновение ЧС (внешняя идентификация наступления ЧС).
Реализация объектовой идентификации наступления ЧС может осуществляться в автоматическом режиме с помощью сенсорного оборудования, либо в результате нарушения некоторого заранее установленного регламента, например, нарушение взаимодействия с некоторым выделенным внешним объектом. Возможно также ручное превентивное включение процедур, связанных с идентификацией наступления ЧС. В условиях персонального использования средств ручной режим обеспечивает возможность их применения в широком спектре эксплуатационных ситуаций фактически без ограничения типов ОЧС.
Реализация внешней идентификации наступления ЧС может быть основана на контроле соблюдения регламента взаимодействия сил и средств объекта с внешним наблюдателем, обеспечивающим надзор за поведением и деятельностью объекта. В этом случае включение процедур, связанных с идентификацией наступления ЧС, обеспечивается по внешнему сигналу, поступающему от внешнего наблюдателя.
Позиционирование местоположения ОЧС. Задачи позиционирования (определения координат) местоположения ОЧС в своей постановке в значительной степени совпадают с аналогичными задачами позиционирования перемещающихся объектов. Существует принципиально два подхода к решению задач позиционирования таких объектов [2]:
- процедуры позиционирования осуществляются средствами внешнего наблюдателя (внешнее позиционирование), например, существующая организация позиционирования ВС во время полетов с помощью радиолокационных станций и радионавигационных систем разностно-
дальномерного (гиперболического) и угломерно-дальномерного (полярного) типов систем УВД. При позиционировании (определении координат) местоположения ОЧС к этому типу относятся подходы, реализуемые в системе КОСПАС-САРСАТ на основе пеленгации сигналов аварийных радиобуев;
- процедуры позиционирования осуществляются средствами, находящимися на позиционируемом объекте - широко распространенная практика при морском судовождении (самопози-ционирование). К этому типу относится рассматриваемый подход позиционирования ОЧС (терпящее или потерпевшее бедствие ВС) на основе спутниковых систем позиционирования общего применения (назначения).
Действующие спутниковые системы глобального позиционирования ГЛОНАСС и GPS имеют одинаковый порядок точности определения местоположения (определения координат) абонентских устройств, проводящих процедуры самопозиционирования. Эта точность позиционирования ОЧС вполне достаточна для выполнения необходимых действий компетентными службами при наступлении ЧС.
Позиционирование абонентских устройств в системах ГЛОНАСС и GPS производится по разным алгоритмам, что связано с различием структурной организации орбитальных компонент этих спутниковых систем глобального позиционирования, а также в связи с использованием в них различных геоцентрических систем координат (ГЛОНАСС - «Параметры Земли - 90» и GPS - «World Geodetic System», 1984). Преимущество использования той или иной системы глобального позиционирования обычно связывается с возможностью оперативной географической интерпретации пользователем результатов проведенного позиционирования с привязкой к местным пространственным объектам. Эффективность этой процедуры обычно обуславливается наличием оперативного доступа пользователя к оцифрованным данным (для автоматизации процедуры идентификации) идентификации пространственных объектов. Вследствие того, что единой глобальной системы идентификации пространственных объектов не существует, а для каждой территории могут существовать разные возможности цифровой интерпретации результатов позиционирования той или иной спутниковой системой, получает распространение использование средств позиционирования ориентированных одновременно на обе системы -ГЛОНАСС/GPS.
Такой подход актуален во многих приложениях, когда избыточность необходимого ресурсного обеспечения средств позиционирования для совмещенной работы в обеих системах допустима и не обременительна. В рассматриваемых условиях оповещения компетентных служб о наступлении ЧС на борту ВС и местоположении ОЧС любое неоправданное увеличение ресурсного обеспечения приводит к нежелательному ограничению возможностей применения таких средств оповещения и позиционирования, тем более что идентификация передаваемых ИС производится в стационарных условиях соответствующих служб, обладающих необходимым ресурсным обеспечением и возможностью оперативного доступа ко всей палитре интерпретационных сведений.
Ориентируясь на территорию нашей страны с прилегающими к ней государствами (особенно в азиатской части) естественно сделать ориентацию на ГЛОНАСС. Для отечественных разработчиков это обусловлено многими причинами: от доступности к документации до увеличения занятости отечественных производителей. К тому же, появление новых функций применения системы ГЛОНАСС повысит ее международный статус в ее феноменологоческом глобальном назначении.
Формирование информационного сообщения. На основе реализации процедур идентификация ЧС и местоопределения ОЧС необходимо формирование стандартного ИС, содержащего идентификационные данные, состояние и координаты местоположения ОЧС, а также средства, обеспечивающие защиту системы от преднамеренных и непреднамеренных мешающих воздействий. Это достаточно рутинная процедура, но она требует четкого организационного оформления так же как и дальнейшие процедуры передачи ИС по адресу ВА, обеспечивающего непо-
средственную связь со службами спасения и другими компетентными организациями. Принципами формирования ИС являются:
- минимизация размера сообщения;
- минимизация процедур его оперативного формирования;
- стандартизация структуры;
- наличие средств защиты передаваемых ИС от преднамеренных и непреднамеренных мешающих воздействий.
Минимизация размера сообщения обусловлена необходимостью сокращения энергетических затрат для передачи ИС. С этих же позиций необходима минимизация процедур его оперативного формирования. Воплощение этого достигается на основе стандартизации структуры ИС, которое должно содержать:
- идентификацию категории сообщения о ЧС;
- идентификационные сведения абонента пользователя средствами самопозиционирова-ния и передачи сообщения о наступлении ЧС;
- сведения о местоположении ОЧС.
Идентификация категории сообщения о ЧС должна соответствовать общепринятым международным стандартам передачи электронных сообщений об авариях и чрезвычайных ситуациях.
Идентификационные сведения абонента пользователя заносятся при регистрации средств самопозиционирования и передачи сообщения о наступлении ЧС и являются неизменными. Это исключает необходимость применения ресурсного обеспечения при формировании в оперативных условиях этой составляющей ИС.
Сведения о местоположении ОЧС представляют оперативно заполняемую составляющую ИС. Для сокращения процедур расчетов и информационных преобразований целесообразно в качестве сведений о местоположении ОЧС регистрировать в ИС первичные результаты обработки сигналов со спутников ГЛОНАСС без всякой их прикладной интерпретации. Стандарт формата упаковки этих данных в ИС должен быть согласован со стандартами ГЛОНАСС.
Защита передаваемых ИС от непреднамеренных мешающих воздействий (помех) осуществляется на основании протоколов взаимодействия абонентских средств в спутниковых системах связи. Отдельным вопросом стоит необходимость защиты систем оповещения от преднамеренных мешающих воздействий. Речь идет о ложно переданных сообщениях наступления ЧС. Для обеспечения фильтрации таких инцидентов необходимо чтобы структура ИС содержала сведения (наподобие электронной подписи), обеспечивающие идентификацию подлинности ИС, передаваемых зарегистрированным абонентом. Эти же средства должны позволить определять ответственность абонента при выдаче им ложной тревоги.
Передача ИС. Для передачи ИС о ЧС могут быть использованы регламенты вызова аварийных служб, предоставляемые спутниковыми системами связи. Неопределенность покрытия территории расположения ОЧС той или иной спутниковой системой связи предполагает необходимость проведения перед началом сеанса связи подобия роуминговой процедуры с целью выбора доступной для передачи ИС системы связи. По своему существу как телекоммуникационного информационного пакета форматирование и передача ИС в значительной степени аналогичны SMS (ShortMessage Service - служба коротких сообщений) - технологии сетей сотовой связи.
Для передачи ИС должен быть организационно стандартизирован адрес получателя сообщения, согласованный с администрациями спутниковых систем связи. На экспериментальной стадии внедрения рассматриваемой технологии извещения заинтересованных служб о наступлении ЧС возможно в качестве внешнего абонента (приемника ИС от ОЧС) использование некоторого корпоративного сервера наподобие виртуальных операторов систем сотовой связи [3]. В Российской Федерации, при ориентации на ГЛОНАСС, государственные структуры ГА и МЧС должны выступить в качестве аффилированного лица организации такого сервера.
Конструктивное оформление абонентских средств для передачи информации о наступлении ЧС и местоположении ОЧС может производиться в виде закрепленного оборудования, либо в виде ручного оборудования (ГОСТ Р 51350-99). Исполнение в виде закрепленного оборудования по своим эксплуатационным показателям сходно с распространенными средствами сигнализации о начале пожара и в других подобных аварийных ситуациях. При таком исполнении средства регистрируются за собственником (или его представителем) оборудования, на котором они закрепляются. Это же лицо определяет доступ к средствам в случае возникновения ЧС.
Исполнение средств для передачи информации о наступлении ЧС и местоположении ОЧС в виде ручного оборудования позволяет их персонализировать и применять независимо от месторасположения их пользователя (владельца). Это дает возможность существенно расширить контингент участников извещений о наступлении ЧС, что, в свою очередь, повышает достоверность и своевременность оповещения необходимых служб о ЧС и месторасположении ОЧС.
Важным аспектом при выборе конструктивных решений является ориентация на одноразовое использование средств. Такой подход вполне оправдан практикой использования аналогичных изделий во время аварий и при других ЧС. Одноразовое использование средств позволяет упростить конструкцию (исключаются конструктивные компоненты обеспечения замены и восстановления отработанных элементов), снизить необходимый ресурс функциональных элементов и упростить приемы эксплуатации изделия. Все это вместе взятое приводит к снижению стоимостных показателей изделия, что имеет одно из определяющих значений для его массового внедрения.
Состав элементных базовых компонент изделия включает:
- радиотехнические элементы;
- информационно-процедурные элементы;
- элементы энергетического обеспечения;
- конструктивные элементы.
Радиотехнические элементы обеспечивают непосредственный прием радиосигналов системы ГЛОНАСС, а также прием и передачу радиосигналов взаимодействия со спутниковой системой связи. В определенной степени их габаритные размеры коррелируются с частотным диапазоном радиосигналов, используемых для обеспечения взаимодействия индивидуального абонентского устройства со средствами ГЛОНАСС и спутниковых систем связи. В настоящее время имеются поставляемые на рынок изделия, в которых достигнут уровень миниатюризации и конструктивной упаковки радиотехнических элементов, позволяющих компоновать их в структуре наручных браслетов или брелков различного типа ношения. Такие габаритные возможности реализации радиотехнических элементов полностью удовлетворяют требованиям, которые определяют необходимые качественные эксплуатационные показатели создания изделий в виде как ручного, так и закрепленного оборудования.
Информационно-процедурным элементам на основе современной микроэлектроники присущи аналогичные конструктивные и габаритные характеристики. В этой связи, возможна ориентация на серийные интегральные схемы, либо на специализированные. Ориентация на серийную элементную базу, снижая затраты на разработку и подготовку производства, вряд ли позволяет достигнуть предельных эксплуатационных показателей, а также стоимостных показателей при большом массовом выпуске изделий. Последнее связано в первую очередь с тем, что при использовании серийных элементов, необходима реализация их связей на более высоком конструктивном уровне, чем связь на уровне кристалла микросхемы. Энергетическое ресурсное обеспечение и технологические затраты на создание межкристаллических связей обычно превышают на несколько порядков аналогичные затраты на реализацию внутрикристаллических связей. Естественно это достаточно существенно сказывается на стоимостных показателях конечной продукции.
Некоторой альтернативой этим двум подходам является применение ПЛИС (Программируемые логические интегральные схемы). Их применение существенно сокращает расходы на подготовку производства в сравнении с выпуском специализированных интегральных схем и снижает габаритные показатели в сравнении с применением серийной элементной базы. Вместе с тем затраты на программирование ПЛИС при изготовлении серийной продукции и непосредственная стоимость ПЛИС, обычно достаточно ощутимо увеличивают стоимость изделий в сравнении с применением специализированных микросхем. Применение ПЛИС обычно оправдывает себя на этапе экспериментального внедрения продукции в массовую эксплуатацию.
По-видимому, при массовом распространении рассматриваемой продукции произойдет переход к гибридным электронным микросхемам, обеспечивающим возможности совместить в большой гибридной микросхеме функции радиотехнических и информационно-процедурных элементов. Это позволит качественно повысить эксплуатационные показатели продукции без повышения ее стоимости.
Энергетическое обеспечение является одним из сложных вопросов создания изделий в виде ручного оборудования. С этих позиций необходимо выделить особенности электропитания элементов передающих радио-трактов, существенно отличающиеся от электропитания радиотехнических элементов приемных радио-трактов и информационно-процедурных элементов. Для последних энергетическое обеспечение определяется используемой элементной базой. Для современной КМОП электронной элементной базы (комплиментарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) характерно невысокое и достаточно стационарное энергопотребление на интервале функционирования включенных элементов. Опыт создания и эксплуатации электронных изделий, по логической сложности сходных с обсуждаемыми изделиями, показывает достаточно надежное применения для обеспечения их работы миниатюрных источников электропитания. Принятие концепции одноразового использования средств способствует миниатюризации источников электропитания приемных трактов и логических элементов как по габаритам, так и по емкости.
Энергетическое обеспечение передающих трактов в определяющей степени зависит от необходимого уровня мощности передаваемого внешнего радиосигнала. Обеспечение надежной связи даже с низкоорбитальными спутниками требует на порядки больше мощности, чем энергообеспечение приемных трактов и логических устройств. Кроме того, энергообеспечение передающих трактов должно обеспечивать явственно выраженный импульсный режим нагрузки в отличие от непрерывных стационарных режимов энергообеспечения приемных трактов и логических компонент. Это определяет необходимость организации выделенных источников питания для работы передающих трактов.
Экспериментальные исследования работы с малыми спутниками показывают возможность установления связи при мощности излучаемого сигнала порядка единиц Ватт. Учитывая кратковременность передачи ИС, необходимую мощность можно достигнуть с помощью специализированных миниатюрных источников питания. Таким образом, ориентация на одноразовое использование и минимизацию длительности ИС позволяет по всем функциональным компонентам обеспечить миниатюрное конструктивное исполнение в виде ручного оборудования.
Конструктивное исполнение особенно для персонального применения должно быть выполнено с учетом удобства его ношения и использования в экстремальных условиях ЧС. Несмотря на одноразовое использование изделий по назначению их прочностные свойства должны быть достаточно высокими, чтобы обеспечивать долговременное их ношение и хранение в пассивном режиме. Наряду непосредственно с пользовательским изделием необходимо создание средств для внесения информации в память устройства при его регистрации. На рис. 1 представлена функциональная блок схема устройства.
СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ СВЯЗИ
Запрос внешнего абонента
Г--УЧ------------------
Информационное сообщение, включающее идентификацию, состояние и координаты ОЧС
Взаимодействие со спутниковыми системами связи
Идентификация и выбор системы связи
Радиотехнические средства взаимодействия с системами связи
Средства идентификации ЧС на борту ОЧС и формирования команды пуска
\ / : і г
Формирование \ ■ !
электронной Формирование
подписи команды пуска
і 1 с борта
Формирование информационного сообщения
Информационно-
процедурные
элементы
Синхронизация и управление
1__________
Радиотехнические средства взаимодействия с системой ГЛОНАСС
Сенсорное включение аварии на боргу ОЧС
Сигнал аварии
Сигнал ручного пуска
Панель ручного управления
Взаимодействие с системой ГЛОНАСС
Начальные установки и режимы работы устройства:
1. Абонентские номера систем связи;
2. Электронная подпись;
3. Режимы работы устройства
Начальные установки при регистрации
Система
ГЛОНАСС
Сигн алы ГЛОНАСС
Средства ввода начальных установок
Рис. 1
ЛИТЕРАТУРА
1. Логвин А.И., Платонов И.Д. ОЬОКЛ88 как базовая компонента формирования сведений о чрезвычайных ситуациях на подвижных объектах. Статья в настоящем Вестнике.
2. Логвин А.И., Платонов И.Д. О концепции интеграции служб навигации и управления воздушным движением в глобальных радиотехнических и спутниковых системах // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Навигация и УВД. № 121, 2007. С. 36 - 40.
3. Корнев Н.В., Платонов И.Д. Логистические подходы в организации коммуникационных услуг мобильных систем связи // Информационное общество, 2006, № 5-6.
REALIZATION SYSTEMS FUNCTIONS FOR FORMATION ABOUT EXTRAORDINARY SITUATIONS ON BOARD AIRCRAFT WITH HELPING SYSTEM GLONASS
Logvin A.I., Platonov I.D.
Procedures supporting systems functions for formation message about extraordinary situations on board aircrafts with helping system GLONASS are considered.
Сведения об авторах
Логвин Александр Иванович, 1944г.р., окончил КГУ (1966), доктор технических наук, профессор, действительный член Академии транспорта РФ, профессор МГТУ ГА, автор более 400 научных работ, область научных интересов - радиолокация, системы передачи информации, эксплуатация радиоэлектронного оборудования.
Платонов Иван Даниилович, 1979г.р., окончил МТУСИ (2000), кандидат технических наук, академический советник Российской инженерной академии, автор 32 научных работ, область научных интересов - автоматизированные телекоммуникационные сети и системы.
