CC BY
192
doi: 10.24411/2409-5419-2018-10184
АНАЛИЗ ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВИСИМОГО НАБЛЮДЕНИЯ ВЕЩАТЕЛЬНОГО ТИПА
РУБЦОВ
Евгений Андреевич1
КАЛИНЦЕВ Андрей Сергеевич2
ГРИГОРЬЕВА Елена Ивановна3
Сведения об авторах:
1к.т.н., доцент кафедры радиоэлектронных систем Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
Соискатель кафедры радиоэлектронных систем Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
3старший преподаватель кафедры радиоэлектронных систем Санкт-Петербургского государственного университета гражданской авиации, г. Санкт-Петербург, Россия, [email protected]
АННОТАЦИЯ
Прогнозирование потенциальных конфликтных ситуаций, как основная функция автоматизированных систем управления воздушным движением, производится на основе анализа данных, полученных от систем авиационного наблюдения, наиболее перспективным из которых является автоматическое зависимое наблюдение. Анализ эксплуатационных характеристик этого типа наблюдения показал, что на современном этапе не удается обеспечить соблюдение требуемых характеристик: точности определения местоположения воздушных судов и надежности передачи сообщений по линиям передачи данных. В работе производится анализ линии передачи данных, применяемой для обмена информацией между воздушным судном и наземной станцией автоматического зависимого наблюдения, а также между воздушными судами по линии «борт-борт», совершающими полет по воздушной трассе. Установлено, что неоптимальная форма диаграммы направленности бортовой антенны может привести к уменьшению дальности действия до величины ниже требуемой. Для класса оборудования А2 эксплуатационная дальность составит 42 км при требуемой 74 км, для класса оборудования А3 эксплуатационная дальность составит 85 км при требуемой 167 км. Эти особенности необходимо учитывать. Также рекомендуется внедрить антенны, диаграммы направленности которых не имеют ярко выраженных минимумов. Также рассмотрены такие недостатки, как отсутствие помехоустойчивого кодирования и механизмов защиты информации передаваемого сообщения. Рассмотрены возможные пути устранения этих недостатков, которые позволят ужесточить требования по допустимому отношению количества ошибочных сообщений к общему числу переданных (в настоящее время отношение 1 к 105). Рекомендуется применять более совершенные методы помехоустойчивого кодирования. При этом отмечен такой негативный момент, как уменьшение информационной емкости сообщения, что приводит к необходимости его передачи несколькими пакетами и увеличении нагрузки на линию. Для уменьшения уязвимости предлагается ввести режим «закрытой передачи», при котором вводится шифрование сообщений. Это потребует принятия дополнительных нормативных документов, устанавливающих правила шифрования и условия введения такого режима.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: автоматизированная система управления воздушным движением; безопасность полетов; автоматическое зависимое наблюдение; линия передачи данных; диаграмма направленности антенны; помехоустойчивое кодирование.
Для цитирования: Рубцов Е.А., Калинцев A.C., Григорьева Е.И. Анализ линии передачи данных автоматического зависимого наблюдения вещательного типа // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. 2018. Т. 10. № 6. С. 19-27. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10184
В основе современных автоматизированных систем управления воздушным движением (АС УВД) лежит принцип обеспечения требуемого уровня безопасности полетов, путем выдерживания воздушными судами (ВС) интервалов горизонтального и вертикального эшелонирования. Мониторинг состояния воздушного пространства предполагает определение местоположения ВС с точностью, достаточной для прогнозирования потенциальных конфликтных ситуаций, для чего используются разнообразные средства авиационного наблюдения [1-3].
До недавнего времени магистральным направлением развития авиационного наблюдения являлось внедрение автоматического зависимого наблюдения (АЗН). В частности, планировалось обеспечить перекрытие воздушного пространства России полем вещательного АЗН (АЗН-В), что обеспечило бы значительную экономическую выгоду по сравнению с вариантом обеспечения перекрытия воздушного пространства страны средствами вторичной радиолокации. Однако, анализ эксплуатационных характеристик АЗН-В (точности, надежности) показал, что эта перспективная технология не может обеспечить соблюдение требуемых характеристик наблюдения. Данный факт отражен в документе ИКАО Doc.9924 «Руководство по авиационному наблюдению».
Рассмотрим подробнее основные характеристики автоматического зависимого наблюдения. В настоящее время существуют три технологии реализации АЗН-В, прошедшие процедуру международной стандартизации, рекомендованные ИКАО: радиолокационные самолётные ответчики, работающие в режиме S с произвольным протоколом радиовещания (1090£5), ОВЧ линии цифровой связи четвертого режима (УБЬ-4), использующем самоорганизующийся протокол с разделением во времени и приемопередатчики универсального доступа (иАТ) [3-4]. С2003 года Аэронавигационная конференция ИКАО рекомендует применять технологию 1090ES в качестве глобального решения для реализации АЗН-В.
В США для обеспечения полетов авиации общего назначения, ВС региональных авиалиний и частных полетов применяется ПАТ, а для обеспечения полетов магистральных ВС — 1090ES. В России также планировалось применять две линии передачи данных: ¥БЬ-4 и 1090ES, однако с 2017 года решением Росавиации было утверждено применение линии 1090ES для гражданских ВС всех типов.
При внедрении АЗН-В, наблюдение за воздушным движением будет осуществляться как с помощью перспективных методов, так и с использованием традиционных радиолокационных средств. Во время переходного периода воздушные суда, оснащенные оборудованием АЗН-В, не будут получать полной информации об окружающей их воздушной обстановке в части неоснащенных воздушных
судов. Это существенно снизит эффективность использования системы АЗН-В в целях поддержки бортовых функций наблюдения. Чтобы улучшить ситуацию, необходимо обеспечивать вместе с АЗН-В услугу информирования экипажей об окружающей воздушной обстановке по линии передачи данных «Земля-борт» (услуга ТШ-Б). ТШ-Б использует информацию от наземных систем наблюдения, например, радиолокационных систем, и в радиовещательном режиме осуществляет передачу этой информации на борт ВС. Как правило, для ТШ-Б и АЗН-В используется единая линия передачи данных, однако для Т^-Б применяются другие форматы сообщений, отличные от АЗН-В [5-6].
Согласно программе «Внедрение средств вещательного автоматического зависимого наблюдения (2011-2020 годы)», утвержденной Минтрансом России 19.05.11, необходимо обеспечить глубокую модернизацию систем наблюдения единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД) на основе внедрения инновационных технологий АЗН-В, функционирующего на основе информации глобальных навигационных систем ГЛОНАСС/ОТО и предназначенного для использования в интересах обслуживания воздушного движения и мониторинга воздушных судов. Задачи программы включают:
- проведение исследований с целью уточнения технической архитектуры АЗН-В для реализации в ЕС ОрВД России;
- оснащение аэродромов наземными станциями АЗН-В;
- размещение дополнительных средств АЗН-В и поддерживающих систем для обеспечения потребностей пользователей в нижнем воздушном пространстве;
- разработка требуемых бортовых компонент АЗН-В;
- разработка нормативных правовых документов, обеспечивающих использование систем АЗН-В в целях организации воздушного движения;
- обеспечение перехода к современным технологиям организации воздушного движения, основанным на внедрении средств АЗН-В.
На начальном этапе внедрения АЗН-В в России были реализованы три пилотных проекта: «Москва-АЗН», «Балтика-АЗН» и «Ямал-АЗН». На базе пилотных проектов в настоящее время развиваются региональные проекты, суть которых заключается в наращивании наземной инфраструктуры станций АЗН-В, а также оборудование воздушных судов необходимой аппаратурой. Для перехода на режим S необходимо оснащение всех воздушных судов ответчиками этого режима. Такая работа была уже проведена в Европе. Опыт наблюдения за воздушным пространством над Санкт-Петербургом показал, что практически 100% воздушных судов гражданской авиации уже
оборудованы ответчиками режима 5", из них около 80% имеют возможности передавать информацию АЗН-В в режиме 1090.ES. Дальнейшее развитие технологии АЗН-В предполагает перекрытие воздушного пространства полем систем наблюдения в масштабе всей страны [3].
Проведем анализ характеристик линии передачи данных 1090£5'. Технология 1090£5" имеет широкий спектр использования [3-7]:
- наземное наблюдение в целях управления воздушным движением с высокой целостностью;
- обеспечение пользователей воздушного пространства возможностью полетов в разные регионы мира (глобальная совместимость бортового и наземного оборудования 1090£5);
- наземное наблюдение с использованием технологий мультилатерации;
- режимы передачи закрытой информации для государственных организаций.
К основным характеристикам технологии 1090ES относятся:
- битовая скорость передачи информации — 1 Мбит/с;
- эффективная скорость передачи пользовательской информации — 200-300 кбит/с;
- выделенный частотный диапазон (глобально для всех регионов мира);
- установленные на ВС фидерные системы, не требующие дополнительной модификации;
- сопрягаемость с технологией вторичной радиолокации и бортовой системой предупреждения столкновений (ГСЛБ/ЛСЛБ).
Сообщение АЗН-В, передаваемое с борта ВС включает [1, 6-7]:
- опознавательный индекс воздушного судна;
- местоположение ВС;
- скорость ВС;
- намерение изменить траекторию.
Сообщение состоит из преамбулы и блока данных. Преамбула представляет собой последовательность из четырех импульсов, а блок данных — последовательность импульсов с двоичной времяимпульсной модуляцией. Объем сообщения составляет 112 бит, длительность — 120 микросекунд. В среднем может излучаться ежесекундно 6,2 сообщений [6].
Сообщение состоит из двух полей. Первое описывает формат и содержит адрес ответчика. За исключением форматов удлиненных сообщений, дескриптором, т.е. полем, описывающим формат, является пяти битовое поле, с которого начинается передача, а адресное поле, объемом 24 бита, всегда располагается в конце сообщения. Поле адреса содержит либо адрес ответчика, либо идентификатор системы вторичной радиолокации, наложенный на проверочную информацию
(контроль целостности). В этом случае сообщение может содержать до 56 бит информации [3, 6].
Форматы удлиненных сообщений (с объемом информационной части 80 бит) определяются первыми двумя битами блока данных, при этом в обоих битах устанавливают единицу. Таким образом, для передачи удлиненных сообщений выделяют коды форматов с 24 по 31 [3, 6].
В запросах и ответах режима 5 используют кодирование с проверкой на четность, которое обеспечивает защиту от воздействия помех. Последовательность из 24 проверочных битов помещается в поле, образованное последними 24 битами всех передач режима 5. При этом 24 проверочных бита объединяют либо с адресным кодом, либо с кодом идентификатора запросчика. В результате образуется либо поле «адрес/проверка», либо поле «проверка/идентификатор запросчика» [3, 6].
Последовательность из 24 проверочных битов (Р1, Р2, ..., Р24) образуется с помощью последовательности информационных битов (М, М2, ., МК), где К равно 32 или 88 для коротких или длинных передач соответственно. Для этой цели используют код, выраженный многочленом [3, 6]:
О(Х) = 1 + X3 + X10 + X12 + X13 +
+Х14 + X15 + X16 ++X17 + X18 + X19 + (1)
+X 20 + X 21 + X 22 + X 23 + X 24
Выражая последовательность информационных символов в виде:
М (X) = Мк + Мк-1 X + Мк аХ2 + . .. + М1Хк-1 (2)
и разделив этот многочлен по правилам двоичной алгебры многочленов на многочлен О(Х), в результате получим некоторое частное и остаток R(X), степень которого менее 24. Последовательность битов, образованная этим остатком, составляет последовательность проверочных сигналов. При этом бит Р для любого i от 1 до 24 равен коэффициенту при Х24- ' в R(X) [3, 6].
Бортовое оборудование АЗН-В, использующее линию 1090ES принято делить на 4 класса: А0, А1, А2 и А3. Оборудование класса А0 является минимально необходимым, применяется только по правилам визуальных полетов (ПВП). Оборудование классов А1-А3 применяется по правилам полетов по приборам (МММ), при этом А1 является базовым, А2 — усовершенствованным. А3 — расширенным. Классы бортового оборудования АЗН-В и их характеристики приведены в табл. 1 [1, 8-9].
Таблица 1
Характеристики бортового оборудования АЗН-В 1090ES
Yr = -4lLb (0.95) - Lb (0.50)]^ + [Lb (0.05) -Lb (0.50)]^«,
(5)
Класс оборудования Максимальная мощность передачи, дБВт Минимальный пороговый уровень приемника, дБмВт
А0 18,5 - 72
А1 21,0 - 79
А2 21,0 - 79
А3 23,0 - 84
Анализ табл. 1 позволяет определить требуемое значение мощности передатчика и минимальный уровень сигнала на входе приемника. В табл. 2 приведены теоретически достижимые значения дальности действия оборудования АЗН-В для различных сочетаний разных классов [1, 8-9].
Таблица 2
Дальность действия бортового оборудования АЗН-В 1090ES по линии «борт-борт»
Классы оборудования Дальность действия по линии «борт-борт», км
А0 - А0 18
А1 - А1 37
А2 - А2 74
А3 - А3 167
Оценим дальность действия оборудования АЗН-В по линии «борт-борт». При расчетах будем учитывать потери на распространение, приведенные в рекомендации Международного союза электросвязи и телеграфии (МСЭ-Т) Р. 528 «Кривые распространения радиоволн для воздушной подвижной и радионавигационной служб, работающих в диапазонах ОВЧ, УВЧ и СВЧ». Также в расчетах учитывались диаграммы направленности бортовых антенн, полученные путем натурного моделирования (отчет FAA-RD-75-23 лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института от 4 апреля 1975 г.). Сам расчет будет проводиться по стандартной методике для высо-коподнятых антенн [10, 11].
Энергетический запас (превышение мощности передатчика над мощностью потерь) для 95% и 50% времени, рассчитывается по формулам:
R(0,95) = R(0,50) + YR(0,95)
R(0,50) = Pt + G( + G - Lb(0,95)
(3)
(4)
где Р {— мощность передатчика;
О Ог — КНД передающей и приемной антенны.
Было произведено две серии расчетов. В первой серии углы крена и тангажа не превышали ±5°, при этом направление излучение и приема приходилось на максимум диаграмм направленности антенн. Во второй серии углы крена достигали ±20°, углы тангажа ±10°, при этом направление излучение и приема приходилось на минимум диаграмм направленности антенн. Результаты расчетов приведены в табл. 3.
Таблица 3
Результаты расчетов дальности действия бортового оборудования АЗН-В 1090ES
Классы оборудования Результаты первой серии расчетов, км Результаты второй серии расчетов, км
А0 - А0 56 39
А1 - А1 98 42
А2 - А2 98 42
A3 - A3 174 85
Анализ результатов расчета показал, что за счет неравномерной диаграммы направленности бортовых антенн, дальности действия для оборудования классов А2 и A3 окажутся меньше требуемых на 43% и 49 % соответственно.
Оценим дальность действия оборудования при наличии помех. Расчет будет проводится по методике анализа радиоканалов с помехами, при передаче сигналов с двух-позиционной фазовой манипуляцией (BPSK) [12-13].
Введем следующие значения шумовой температуры: 10000 К, 20000 К и 30000 К для «слабой», «средней» и «сильной» помехи. Согласно спецификации 1090ES допускается прием одного неправильного сообщения на 105 переданных, таким образом вероятность приема неправильного сообщения не должна превышать
Вероятность ошибки приема неправильного сообщения зависит от вероятности ошибки на один бит информации (bit error rate — BER) [12]:
S 112
^-na-V^-na-V
i=i
i=i
(6)
Для обеспечения требуемой вероятности приема ошибочного сообщения необходимо обеспечить вероятность ошибки на бит 8.5 10-5.
В канале 1090ES используется двухпозиционная фазовая манипуляция (BPSK). Вероятность ошибки на бит находится как [12-13]:
РШ ПРМ = к(ТПР + Та) • ^
(10)
рош =1 еФ
(7)
где Е/Ы — отношение сигнал/шум на выходе приемника.
Расчет радиуса рабочей области сводится к определению отношения сигнал/шум и вероятности ошибки на бит с учетом помеховой обстановки. Дальность, на которой будет обеспечена вероятность приема неправильного сообщения не более 8,5 10-5 и будет рабочей областью. Для обеспечения такой вероятности необходимо, чтобы отношение сигнал/шум на выходе приемника было не менее 9 дБ [14-15].
При передаче данных применяют помехоустойчивое кодирование, однако канал 1090ES не предусматривает применения исправляющих кодов. Это означает, что повреждение одного информационного бита делает сообщение ошибочным. Данный факт отчасти компенсируется величиной требуемой вероятности приема неправильного сообщения. Таким образом, обеспечить требуемую дальность действия можно только путем увеличения отношения сигнал/шум на выходе приемника, от которого зависит вероятность ошибки на бит.
Бортовой ответчик имеет мощность, соответствующую его классу (см. табл. 1). Анализ литературы по бортовым антеннам показал, что бортовые антенны могут как усиливать сигнал до 1 дБ, так и вносить ослабление до -5 дБ вследствие формы диаграмм направленности [16].
Мощность сигнала в точке приема находится как разность мощности передатчика и потерь на распространение. Действующая длина бортовой антенны составляет 0,2...0,3 м. Исходя из этого, можно определить напряжение сигнала на входе приемника. Также необходимо знать напряжение шума. Оно складывается из собственного шума приемника и атмосферных шумов (включающих естественные и искусственные). Собственный шум приемника находится как:
ТПР = (КШ ПР - 1)Т0, (8)
где ^ШПР — коэффициент шума приемника,
Т0 = 293 К,
При коэффициенте шума равном 10, получим:
ТПР =(10-1)293 = 2630 К (9)
Необходимо также учитывать шумовую температуру антенны ТА. Мощность шума антенны находится как:
где к = 1,38-10-23 — постоянная Больцмана,
АР—ширина полосы пропускания приемника.
Шумовую температуру бортовой антенны примем за 2000 К. Ширина полосы пропускания приемника 1090ES составляет 5 МГц. Тогда, РШ ПРМ = 69-10-18 Вт.
Мощность атмосферных шумов зависит от района, над которым совершается полет, времени суток, грозовой активности и многих других факторов, учет которых является сложной, а подчас и просто невыполнимой задачей. Поэтому, в расчетах рекомендуется применять средние значения атмосферных шумов, характерные для данного региона.
Шумовую температуру для населенной местности на частоте 1000 МГц о примем 20000 К («средняя» помеха). Тогда мощность шума составит РШ атм = 71-10-18 Вт.
Напряжение помехи, образованной суммой внутренних шумов приемника, шума антенны и атмосферного шума находится как:
и=
р + р
1 Ш_ПРМ т 1 Ш_арм
Я
69-10-18 + 71-10-18
(11)
50
= 2,78 -10-9В
При повышении шумовой температуры помехи до 30000 К («сильная» помеха), напряжение помехи на выходе приемника составит 5 10-9 В. «Слабая» помеха, имеющая шумовую температуру 10000 К, создает напряжение на выходе приемника 110-9 В.
Результаты расчета дальности действия при наличии помех:
- дальность действия при наличии «слабой» помехи составит 45-50 км;
- дальность действия при наличии «средней» помехи составит 25-35 км;
- дальность действия при наличии «сильной» помехи составит 15-25 км.
Анализ результатов показывает, что при наличии даже сравнительно слабых помех (с шумовой температурой 10000 К), дальность действия будет обеспечена только для оборудования классов А0 и А1. Для оборудования классов А2 и А3 требуемая дальность обеспечена не будет. Следует обратить внимание, что наличие сильных помех (в том числе преднамеренных) может значительно ограничить дальность действия оборудования и вызвать определенные проблемы при оценке экипажем воздушной обстановки.
Решение указанных проблем должно иметь комплексный характер, однако можно выделить общие направления, по которым целесообразно проводить работы. Прежде всего необходимо обеспечить более равномерные
диаграммы направленности бортовых антенн, что позволит исключить ослабление сигнала при невыгодных сочетаниях крена и тангажа обменивающихся сообщениями воздушных судов. Также целесообразно повысить максимальную мощность бортовых передатчиков, что позволит увеличить отношение сигнал/шум на выходе приемника и уменьшить вероятность ошибки на бит (BER). Одним из важнейших шагов по обеспечению требуемой дальности действия в условиях наличия помех является применение более совершенных методов помехоустойчивого кодирования, в том числе исправляющих кодов (например, кода Рида-Соломона) [17-18]. При этом следует учитывать малую информационную емкость сообщения 1090ES. Это приводит к необходимости поиска компромисса между эффективностью кода (достигаемой помехоустойчивостью) и количеством пакетов, необходимых для передачи того или иного объема информации.
Одной из проблем линии 1090ES является ее открытость к внешним воздействиям. Обладая необходимой аппаратурой несанкционированный пользователь может сформировать сообщение как для бортового оборудования, так и для наземной станции АЗН-В, тем самым создав сложности и для экипажа ВС и для диспетчера управления воздушным движением [19-21]. Вопросы шифрования данных в настоящее время обсуждаются, однако единое мнение все еще не сформировано. В качестве решения можно предложить внедрение специального режима «закрытой передачи». Суть его сводится к тому, что в случае возникновения подозрения на наличие в эфире сигналов злоумышленников экипажи по команде диспетчера на определенное время переходят к передаче зашифрованных сообщений АЗН-В.
Литература
1. Ахмедов Р.М., Бибутов А. А., Васильев А. В. Автоматизированные системы управления воздушным движением. Новые информационные технологии в авиации / под ред. С. Г. Пятко и А. И. Красова. СПб.: Политехника, 2004. 446 с.
2. Бестугин А. Р. Автоматизированные системы управления воздушным движением. СПб.: Политехника, 2014. 450 с.
3. Кудряков С. А., Кульчицкий В. К., Поваренкин Н. В., Пономарев В. В., Рубцов Е.А., Соболев Е. В., Сушкевич Б. А. Радиотехническое обеспечение полетов воздушных судов и авиационная электросвязь. СПб.: Свое издательство, 2016. 287 с.
4. Li T., Sun Q., Li J. A Research on the Applicability of ADS-B Data Links in Near Space Environment // International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE2012) (Beijing, 12-16 December 2012). IEEE, 2012. Pp. 1-5. doi:10.1109/ICCVE.2012.9
5. Ali B. S. System specifications for developing an Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) monitoring system // International Journal of Critical Infrastructure Protection. 2016. No. 15. Pp. 40-46.
6. Воскребенцев Н.А., Рубцов Е. А. Анализ структуры сообщения автоматического зависимого наблюдения по линии передачи данных 1090ES // Материалы Международной научно-практической конференции «Наука сегодня: проблемы и пути решения» (Вологда, 29 марта 2017 г.). Вологда: Маркер, 2017. С. 22-23.
7. Langejan T. P., Sunil E., Ellerbroek J., Hoekstra, J. M. Effect of ADS-B Characteristics on Airborne Conflict Detection and Resolution // 6 th SESAR Innovation: Inspiring long-term research in the field of Air Traffic Management (Netherlands, 8-10 November 2016). SESAR, 2016. Pp.1-8. https://www.sesarju.eu/sites/default/files/documents/sid/2016/ SIDs_2016_paper_22.pdf (дата обращения 05.10.2018).
8. Reck C., Reuther M. S., Jasch A., Schmidt L. P. Independent surveillance broadcast ADS-B receivers with DOA estimation // Digital Communications — Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles (TIWDC/ESAV). IEEE, 2011. Pp. 219-222.
9. Stacey D. Aeronautical radio communication systems and networks. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England, 2008. 373 p.
10. Вычугжанин В. Б., Рубцов Д. В. Метод расчета статистических характеристик линии передачи данных в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением // Научный вестник МГТУ ГА. 2006. № 107. С. 165-169.
11. Seybold J. S. Introduction to RF propagation. New Jersey, Wiley-Interscience, 2005. 352 p.
12 Simon M. K., Alouinii M.-S. Digital Communication Over Fading Channels: A Unified Approach to Performance Analysis. New York, Wiley, 2000. 544 p.
13. Naganawa J., Miyazaki H., Tajima H. Measurement-Based Evaluation on Detection Probability ofExtended Squitter for Air-to-Ground Surveillance // Vehicular Technology IEEE Transactions. 2017. Vol. 66. No. 10. Pp. 8883-8894.
14. Затучный Д. А., Логвин А. И. Определение оптимального количества линий передачи данных для реализации режима автоматического зависимого наблюдения // Научный вестник МГТУ ГА. 2013. № 189. С. 9-13.
15. Затучный Д. А. Повышение точности оценки достоверности информации, передаваемой при автоматическом зависимом наблюдении, на основе анализа качества дополнительных данных // Надежность и качество сложных систем. 2017. № 1. С. 11-16.
16. Нечаев Е. Е., Будыкин Ю.А. Антенные устройства в гражданской авиации. Курск: Пресс-факт, 2005. 380 с.
17. Zhang Z. Optimization performance analysis of 1090ES ADS-B signal separation algorithm based on PCA and
ICA // International Journal of Performability Engineering. 2018. Vol. 14. No. 4. Pp. 741-750.
18. Кузьмин Б. И. Авиационная цифровая электросвязь в условиях реализации «Концепции ИКАО-ИАТА CNS/ATM» в Российской Федерации. СПб., Н. Новгород: ВиТ-принт, 2007. 384 с.
19.SchaferM.,Lenders V.,Martinovic/.Experimental Analysis of Attacks on Next Generation Air Traffic Communication // Applied Cryptography and Network Security. 2013. Pp. 253-271.
20. McCallie D., Butts J., Mills R. Security analysis of the ADS-B implementation in the next generation air transportation system // International Journal of Critical Infrastructure Protection. 2011. Vol. 4. No. 2. Pp. 78-87.
21. Leonardi M., Piracci E., Galati G. ADS-B vulnerability to low cost jammers: risk assessment and possible solutions // Tyrrhenian International Workshop on Digital Communications — Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles (TIWDC/ESAV). IEEE, 2014. Pp. 41-46.
DATA LINK ANALYSIS OF AUTOMATIC DEPENDENT SURVEILLANCE - BROADCAST
EVGENY A. RUBTSOV
St-Peterburg, Russia, [email protected]
ANDREY S. KALINTSEV
St-Peterburg, Russia, [email protected]
KEYWORDS: automated air traffic control system; flight safety; automatic dependent surveillance; data link; radiation pattern; error-correcting coding.
ELENA I. GRIGOREVA
St-Peterburg, Russia, [email protected]
ABSTRACT
Forecasting of potential conflict situations, as the main function of automated air traffic control systems, is based on the analysis of surveillance systems data, and the most promising of them is automatic dependent surveillance. Analysis of the characteristics of this type of surveillance showed that at the present stage it's not possible to ensure compliance with the required characteristics: accuracy of aircraft location and the reliability of message transmission over data links. The work analyzes the data link used for the exchange of messages between the aircraft and the ground station of automatic dependent surveillance, as well as between the aircraft on the link "aircraft-to-aircraft", flying on the route. It is established that the non-optimal form of the radiation pattern of the aircraft antenna can lead to a reduction in the range to a value below the required one. For the A2 equipment class, the operational range will be 42 km while the required is 74 km, for the A3 equipment class the operational range will be 85 while the required is 167 km. These features
must be taken into account. It is also recommended to introduce antennas, the radiation patterns of which do not have great minima. Also, consider the disadvantages such as the lack of error-correcting coding and information security mechanisms of the message transmitted. The possible ways to eliminate these shortcomings, which will strengthen the requirements for the permissible ratio of the number of error messages to the total number of transmitted (currently ratio is 1 to 105). It is recommended to use advanced methods of error-correcting coding. At the same time, such a negative moment as a decrease in the information capacity of the message is noted, which leads to the need for its transmission by several packets and an increase the link load. To reduce the vulnerability of link, it is proposed to introduce a "closed transmission" mode, in which encryption of messages is introduced. This will require the adoption of additional regulations establishing encryption rules and conditions for the introduction of such a regime.
REFERENCES
1. Achmedov P. M., Bibutov A. A., Vasiliev A. V. Avtomatizirovannie sistemi upravlenia vozdushnim dvijeniem. Novie informacionnie technologii v aviacii: uchebnoe posobie [Automated air traffic control systems. New information technologies in aviation: textbook]. Edited by S. G. Pyatko and A. I. Crasov. St. Petersburgb.: Politechnica, 2004. 446 p. (In Russian)
2. Bestugin A. R. Avtomatizirovannie sistemi upravlenia vozdushnim dvijeniem: uchebnoe posobie [Automated air traffic control systems: textbook]. St. Petesburg: Politechnica, 2014. 450 p. (In Russian)
3. Kudryakov S. A., Kulchickii V. K., Povarenkin N. V., Ponomarev V.V., Rubtsov E. A., Sobolev E.V., Sushkevitch B. A. Radiotechnicheskoe obespechenie polyotov vozdushnih sudov i aviacionnaya electrosvy-az. Uchebnoe posobie [Radio engineering support of aircraft flights and aviation telecommunication]. St. Petesburg: Svoe izdatelstvo, 2016. 287 p. (In Russian)
4. Li T., Sun Q., Li J. A Research on the Applicability of ADS-B Data Links in Near Space Environment. International Conference on Connected Vehicles and Expo (ICCVE). Beijing, 2012. Pp. 1-5.
5. Ali B. S. System specifications for developing an Automatic Dependent Surveillance-Broadcast (ADS-B) monitoring system. International Journal of Critical Infrastructure Protection. 2016. No. 15. Pp. 40-46.
6. Voscrebencev N. A., Rubtsov E. A. Analiz struktury soobshcheni-ya avtomaticheskogo zavisimogo nablyudeniya po linii peredachi dannykh 1090ES. [Analysis of automatic dependent surveillance message structure for the 1090ES data link]. Materialy Mezhdunar-odnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii "Nauka segodnya: prob-lemy i puti resheniya" [Materials of the International scientific-practical conference "Science today: problems and solutions" (Vologda, 29 March 2017)], Vologda, 2017. Pp. 22-23. (In Russian)
7. Langejan T. P., Sunil E., Ellerbroek J., Hoekstra, J. M. Effect of ADS-B Characteristics on Airborne Conflict Detection and Resolution // 6 th SESAR Innovation: Inspiring long-term research in the field of Air Traffic Management (Netherlands, 8-10 November 2016). SESAR, 2016. Pp.1-8. URL: https://www.sesarju.eu/sites/default/files/documents/ sid/2016/SIDs_2016_paper_22.pdf (date of access 05.10.2018).
8. Reck C., Reuther M. S., Jasch A., Schmidt L. P. Independent surveillance broadcast ADS-B receivers with DOA estimation. Digital Communications - Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles (TIWDC/ESAV). 2011. Pp. 219-222.
9. Stacey D. Aeronautical radio communication systems and networks. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester, West Sussex PO19 8SQ, England. 2008. 373 p.
10. Vichujagin V. B., Rubtsov D.V. The method of calculating the statistical characteristics of the ATC system data link with automatic dependent surveillance. Science Bulletin of Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTUCA). 2006. No. 107. Pp. 165-169. (In Russian)
11. Seybold J. S. Introduction to RFpropagation. John Wiley & Sons Inc. Hoboken, New Jersey. 2005. 330 p.
12. Simon K. M. Mohamed-Slim A. Digital communication over fading channels: a unified approach to performance analysis. John
Wiley & Sons Inc. Hoboken, New Jersey. 2005. 900 p.
13. Naganawa J., Miyazaki H., Tajima H. Measurement-Based Evaluation on Detection Probability of Extended Squitter for Air-to-Ground Surveillance. Vehicular Technology IEEE Transactions. 2017. Vol. 66. No. 10. Pp. 8883-8894.
14. Zatuchni D. A., Logvin A. I. Definition of optimum number of lines for broadcasting data for realization of ads regim. Naucnyj vestnik MGTU GA [Civil Aviation High TECHNOLOGIES]. 2013. No. 189. Pp. 9-13. (InRussian)
15. Zatuchni D. A. Povyshenie tochnosti otsenki dostovernosti infor-matsii, peredavaemoy pri avtomaticheskom zavisimom nablyudenii, na osnove analiza kachestva dopolnitel'nykh dannykh [Improving the accuracy of reliability assessment of information transmitted by automatic dependent surveillance, based on the analysis of the quality of additional data]. Nadejnost i katchestvo slojnih system [Reliability & Quality of Complex Systems]. 2017. No. 1. Pp. 1-16. (In Russian)
16. Netchaev E. E., Budikin U. A. Antennie ustroistva v grajdanskoi aviacii [Antenna systems in civil aviation]. Kursk: Press-fact. 2005. 380 p. (In Russian).
17. Zhang Z. Optimization performance analysis of 1090ES ADS-B signal separation algorithm based on PCA and ICA. International Journal of Performability Engineering. 2018. Vol. 14. No. 4. Pp. 741-750.
18. Kuzmin B. I. Aviacionnaya cifrovaya elektrosvyaz v usloviah real-izacii "Koncepcii ICAO-IATA CNS/ATM" v Rossiiskoi Federacii [Aviation digital telecommunication in the conditions of implementation of the "ICAO-IATA CNS/ATM Concept" in the Russian Federation]. St. Peterburg, N. Novgorod: Vit-print. 2007. 384 p. (In Russian).
19. Schafer M., Lenders V., and Martinovic I. Experimental Analysis of Attacks on Next Generation Air Traffic Communication. Applied Cryptography and Network Security. Springer. 2013. Pp. 253-271.
20. McCallie D., Butts J., Mills R. Security analysis of the ADS-B implementation in the next generation air transportation system. International Journal of Critical Infrastructure Protection. 2011. Vol. 4. No. 2. Pp. 78-87.
21. Leonardi M., Piracci E., Galati G. ADS-B vulnerability to low cost jammers: risk assessment and possible solutions. Tyrrhenian International Workshop on Digital Communications - Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles. IEEE, 2014. Pp. 41-46.
15. Zatuchni D. A. Povyshenie tochnosti otsenki dostovernosti infor-matsii, peredavaemoy pri avtomaticheskom zavisimom nablyudenii, na osnove analiza kachestva dopolnitel'nykh dannykh [Improving the accuracy of reliability assessment of information transmitted by automatic dependent surveillance, based on the analysis of the quality of additional data]. Nadejnost i katchestvo slojnih system [Reliability & Quality of Complex Systems]. 2017. No. 1. Pp. 1-16. (In Russian)
16. Netchaev E. E., Budikin U. A. Antennie ustroistva v grajdanskoi aviacii [Antenna systems in civil aviation]. Kursk: Press-fact. 2005. 380 p. (In Russian)
17. Zhang Z. Optimization performance analysis of 1090ES ADS-B signal separation algorithm based on PCA and ICA. International Journal of Performability Engineering. 2018. Vol. 14. No. 4. Pp. 741-750.
18. Kuzmin B. I. Aviacionnaya cifrovaya elektrosvyaz v usloviah real-izacii "Koncepcii ICAO-IATA CNS/ATM" v Rossiiskoi Federacii [Aviation digital telecommunication in the conditions of implementation of the "ICAO-IATA CNS/ATM Concept" in the Russian Federation]. St. Peterburg, N. Novgorod: Vit-print. 2007. 384 p. (In Russian)
19. Schafer M., Lenders V., and Martinovic I. Experimental Analysis of Attacks on Next Generation Air Traffic Communication. Applied Cryptography and Network Security. Springer. 2013. Pp. 253-271.
20. McCallie D., Butts J., Mills R. Security analysis of the ADS-B implementation in the next generation air transportation system. International Journal of Critical Infrastructure Protection. 2011. Vol. 4. No. 2. Pp. 78-87.
21. Leonardi M., Piracci E., Galati G. ADS-B vulnerability to low cost jammers: risk assessment and possible solutions. Tyrrhenian International Workshop on Digital Communications - Enhanced Surveillance of Aircraft and Vehicles. IEEE. 2014. Pp. 41-46.
INFORMATION ABOUT AUTHORS:
Rubtsov E.A., PhD, Associate Professor at the Department of Radio electronic systems, St. Petersburg State University of civil aviation; Kalintsev A.S., Applicant at the Department of Radio electronic systems, St. Petersburg State University of civil aviation; Grigorevs E.I., Senior lecturer of the Department of Radio electronic systems, St. Petersburg State University of civil aviation.
broadcast. H&ES Research.
For citation: Rubtsov E.A., Kalintsev A.S., Grigorevs E.I. Data link analysis of automatic dependent surveillance -2018. Vol. 10. No. 6. Pp. 19-27. doi: 10.24411/2409-5419-2018-10184 (In Russian)
НПЦ ИРС
N/ Научно-производственный центр
Информационных региональных систем
► npcirs.ru
Закрытое акционерное общество "Научно-производственный центр информационных региональных систем" является предприятием, разрабатывающим автоматизированные системы специального назначения.
Основными направлениями нашей деятельности являются:
- проектирование, создание и ремонт автоматизированных систем управления и их составных частей, систем обработки данных, программного обеспечения, информационных систем для государственных организаций и коммерческих компаний:
- разработка общесистемного и прикладного ПО. внедрение и сопровождение информационных систем:
- защита информации в системах управления, локальных вычислительных сетях, про грамм но-аппаратных комплексах, телекоммуникационных системах:
- производство и поставка технических средств, в офисном и защищенном исполнении;
- создание, внедрение и сопровождение оперативных и учетных систем любой сложности:
- анализ автоматизированных систем на предмет разработки к ним классификаторов и нормативно-справочной информации;
- разработка проектов и создание глобальных, корпоративных, локальных телекоммуникационных систем и структурированных кабельных сетей.
Создаваемые предприятием средства (комплексы средств автоматизации, программные и программно-информационные комплексы, информационные изделия) эксплуатируются в различных государственных органах: в органах военного управления Министерства обороны РФ, а также на предприятиях, в организациях, в органах местного самоуправления субъектов РФ, занимающихся воинским учетом.
Научные исследования в сфере КНСИ позволяют нам качественно анализировать автоматизированные системы и разрабатывать к ним классификаторы и нормативно-справочную информацию.
I ripcinj.ru
Телефон: 3(800)100-40-90 E-mail: administrate[(¿mpi.-irs.ru
