CC BY
701
УДК 621.396.96:621.396.26
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СРЕДСТВ МНОГОПОЗИЦИОННЫХ СИСТЕМ НАБЛЮДЕНИЯ ДЛЯ АЭРОДРОМНЫХ АС УВД
А.В. ПРОХОРОВ, Г.В. СТОЛЯРОВ, Д.С. БОНДАРЬ
Рассматриваются вопросы, связанные с применением многопозиционных систем наблюдения в аэродромных системах управления воздушным движением. Проводится анализ требований нормативных документов к МПСН. Приводятся алгоритмы обработки сигнальной информации для МПСН.
Ключевые слова: МПСН, MLAT, ADS-B.
1. Концепция развития средств наблюдения за воздушной обстановкой в аэродромной зоне
В соответствии с концепцией CNS/ATM наиболее перспективным методом получения данных о воздушном движении признано автоматическое зависимое наблюдение (ADS) на базе цифровых линий передачи данных (ЛПД). Автоматическое зависимое наблюдение (АЗН) - метод наблюдения, в соответствии с которым воздушные суда (ВС) автоматически предоставляют по ЛПД конкретному (при ADS-C и ADS-A) или любому (при ADS-B) потребителю информацию, полученную от бортовых пилотажно-навигационных комплексов ВС [1].
В 2002 г. была утверждена «Концепция совершенствования наблюдения в интересах гражданской авиации РФ», которая согласуется с концепцией CNS/ATM, программами SESAR (Европа) и NextGen (Соединенные Штаты) и «Стратегией наблюдения для Европейской конференции по вопросам гражданской авиации». В соответствии с этим АЗН определено основным элементом будущих систем УВД.
Концепция совершенствования наблюдения в интересах ГА РФ основывается на использовании рационального сочетания различных технологических решений в условиях конкретного географического района. В качестве базовых технологий в Концепции рассматриваются: первичный обзорный радиолокатор - ПОРЛ; вторичный обзорный радиолокатор - ВОР Л; РЛС обзора летного поля - РЛС ОЛП; АЗН режима В ADS-B; АЗН режима С ADS-С.
В Концепции рассматриваются следующие типы условий наблюдения: воздушное пространство, в котором до появления ADS-B наблюдение будет обеспечиваться традиционными ПОРЛ/ВОРЛ; воздушное пространство, где радиолокационная структура отсутствует или нецелесообразна; движение по аэродрому; наблюдение на борту ВС.
Долгосрочная цель концепции состоит в том, чтобы в РФ было развернуто ADS-B в качестве основного метода наблюдения в целях организации ВД. При этом очевидно, что реализация такого широкомасштабного решения потребует продолжительного времени. Одной из основных причин этого является необходимость оснащения всех ВС достаточно дорогостоящим оборудованием ADS-B. Ситуация осложняется также тем, что средства ADS-B и традиционные аэродромные и трассовые радиолокационные комплексы используют принципиально разные технологии. Однако существует технология, которая позволит совместить и взаимоувязать применение ADS-B с традиционной системой радиолокационного наблюдения. Применение многопозиционных систем наблюдения (МПСН), или систем мультилатерации (MLAT), позволит осуществить переход к технологии ADS-B без существенного изменения бортового обору-
дования и наземной инфраструктуры. Это подтверждается материалами проходившей 6-8 сентября 2011 года в Мехико конференции ИКАО, в соответствии с которыми прогнозируется развитие и рост количества многофункциональных комплексных систем ADS-B+MLAT [2].
2. Применение систем мультилатерации
Внедрение аэродромных систем ADS-B+MLAT позволит обеспечить контроль воздушного движения в аэродромной зоне при снижении норм продольного и вертикального эшелонирования, обеспечить решение задачи обнаружения потенциально-конфликтных ситуаций в воздухе, контроль ВС заходящих на посадку, в том числе на параллельные взлетно-посадочные полосы (ВПП), контроль за движением ВС и транспортных средств по летному полю, обеспечить автоматизацию аэронавигационных сборов за обслуживание на аэродроме [2]. Примение комбинированной системы ADS-B+MLAT на аэродромах с параллельными ВПП позволяет повысить пропускную способность аэродрома на 30% при сохранении заданного уровня безопасности полетов [2].
Наряду с обеспечением контроля воздушного пространства и управления движением по лётному полю аэродрома (A-SMGCS - Advanced Surface Movement Guidance and Control Systems) МПСН находит ещё ряд применений.
На основе MLAT может быть построена система контроля точности выдерживания высоты (HMU - Height Monitoring Units), обеспечивающая измерение высоты ВС и передачи данных в региональное мониторинговое агентство.
Мультилатерационное наблюдение за положением ВС относительно курса посадки и глиссады может быть использовано для вывода ВС на ВПП, т. е. для построения на основе MLAT системы посадки ВС.
В настоящее время наблюдается тенденция объединения МПСН в «широкозонные» (Wide Area Multilateration) интегрированные системы. Примером может служить программа реализации технологии WAM в Намибии, где контроль воздушного пространства над территорией Западной Африки площадью 320000 кв. миль обеспечивается сетью из 36 отдельных МПСН, разнесённых друг относительно друга. Австрия, Чешская Республика и Швеция опубликовали планы объединения существующих МПСН в интегрированную WAM систему [2].
По сравнению с радиолокаторами МПСН имеет ряд преимуществ: 1) формирование зоны наблюдения не зависимо от рельефа местности; 2) высокая точность и скорость обновления информации; 3) совместимость с ADS-B; 4) не предъявляются дополнительные требования к бортовому оборудованию ВС; 5) высокая надежность, отсутствие вращающихся механических элементов; 6) небольшие габариты и вес; 7) низкий расход электроэнергии; 8) низкая стоимость оборудования; 9) низкие расходы на эксплуатацию и обслуживание.
Применение МПСН особенно востребовано в горных районах, где рельеф не позволяет применять традиционные радиолокаторы, в ряде случаев при этом повышается эффективность обеспечения полетов за счёт снижения затрат на оборудование и эксплуатационных издержек.
МПСН также является удобным решением для контроля воздушного движения вертолетов над поверхностью моря между нефтедобывающими платформами при разработке шельфовых месторождений.
3. Требования нормативных документов ИКАО, Евроконтроля и ФАП РФ к МПСН
3.1. Требования к МПСН в аэродромной зоне
Во всех материалах ИКАО и Евроконтроля отмечается, что МПСН по назначению должны удовлетворять требованиям, предъявляемым к аналогичным системам. Таким образом, МПСН аэродромной зоны должна удовлетворять требованиям Приложения 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. - Т. IV. Системы обзорной радиолокации и предупреждения столкновений [3]. На основе Приложения 10, а также ряда других документов ИКАО Еврокон-троль разработал минимальные требования к широкозонным многопозиционным системам контроля воздушного пространства на воздушных трассах и в аэродромной зоне ED-142 [4].
В соответствии с ФАП воздушное пространство (ВП) района аэродрома определяется нормативными документами для каждого конкретного аэродрома.
В соответствии с ED-142 МПСН должна работать в режимах А/С и S системы вторичной радиолокации (ВРЛ) и обеспечивать выполнение следующих требований: 1) вероятность обнаружения ВС должна быть не менее 97%; 2) вероятность ложного обнаружения ВС не должна превышать 0,1%; 3) вероятность получения информации о бортовом номере не менее 99%; 4) вероятность получения кода в режиме А не менее 98%; 5) вероятность получения кода в режиме С не менее 96%; 6) вероятность ложного обнаружения кодов не должна превышать 0,1%; 7) СКО определения горизонтальных координат не должна превышать 150 м; 8) временная задержка передачи информации в МПСН не должна превышать 500 мс; 9) время обработки информации с момента приема сигнала не должна превышать 1с; 10) интервал обновления информации должен быть не менее 5 секунд с вероятностью 95%; 11) максимально допустимый интервал обновления информации должен быть не более 15 секунд с вероятностью 95%; 12) вероятность возникновения максимально допустимого интервала обновления информации не должна превышать 0,1%; 13) время взятия на сопровождение (обнаружение и завязки трассы) нового ВС не должно превышать 25 секунд с вероятностью 99%; 14) время взятия на сопровождение (обнаружение и завязки трассы) взлетающего ВС не должно превышать 15 секунд с вероятностью 99%; 15) МПСН должна обеспечивать обслуживание не менее 250 ВС.
Кроме того, МПСН должна обеспечивать определение: а) горизонтальных координат в аэродромной декартовой системе координат (СК); б) координат широта и долгота в геодезической СК WGS-84; в) скоростей и ускорений по осям аэродромной декартовой и геодезической WGS-84 СК; г) СКО и ковариаций координат ВС в аэродромной декартовой и геодезической СК; д) барометрической высоты; е) расчетной высоты для областей, где она доступна для определения с достаточной точностью; ж) истинной высоты в СК WGS-84 и ее СКО.
Для обеспечения целостности МПСН должен формироваться признак «принято или искажено» информации поступающей с борта ВС: а) идентификации ВС; б) барометрической высоты полета (приоритет имеет высота полета в режиме S); в) бортового номера ВС.
3.2. Требования к МПСН в зоне захода на посадку
В настоящее время требования к МПСН в зоне захода на посадку (зона точного наведения по ИКАО) находятся в стадии разработки. В соответствии с рекомендациями ИКАО в этом случае необходимо руководствоваться требованиями к средствам, выполняющими данные функции. В ГА контроль за движением ВС в зоне захода на посадку осуществляется с помощью посадочных радиолокаторов (ПРЛ), которые обеспечивают измерение дальности до ВС, отклонение ВС по курсу от посадочной прямой и отклонение ВС от заданной глиссады снижения. Требования ФАП РФ [5] к ПРЛ практически идентичны требованиям ИКАО.
В табл. 1 приведены требования к ПРЛ из ФАП «Сертификационные требования» [5].
Таблица 1
Требования к основным характеристикам ПРЛ
№ п/п Наименование характеристики Ед. изм. Норматив
1 Дальность действия, не менее км 17
2 Углы обзора пространства, не менее
а) антенна курса: по азимуту град 20
б) антенна глиссады - по углу места град 7
3 Максимально допустимая ошибка в определении расстояния от ВС до расчетной точки приземления, не более м 30 м +3% расстояния от ВС до точки приземления
4 Максимально допустимая ошибка в определении отклонения ВС от линии курса, не более м 0,6% расстояния от антенны ПРЛ до ВС плюс 10% бокового отклонения от линии курса либо 9 м (брать большую величину)
5 Максимально допустимая ошибка в определении отклонения ВС от заданной траектории снижения, не более м 0,4% расстояния от антенны ПРЛ до ВС плюс 10% вертикального отклонения от заданной траектории снижения либо 6 м (брать большую величину) курса
6 Разрешающая способность, не хуже:
- по дальности м 120
- по курсу град 1,2
- по углу места град 0,6
7 Обновления информации, не более с 1
8 Диапазон рабочих волн см 3
Примечание : Норматив в п. 1 установлен для ВП0>0,8 при ВЛТ=10-6 по ВС с ЭОП=15 м2.
3.3. Требования к МПСН в зоне посадки ВС
Посадка ВС состоит из двух участков: воздушного участка, включающего планирование, выравнивание, выдерживание и парашютирование, и наземного участка - пробега по ВПП. Высота начала посадки четко не определена, но может начинаться с момента принятия пилотом решения о посадке.
Границей между воздушным участком и пробегом является приземление. Выравнивание -плавный переход самолета от планирования к выдерживанию - начинается на высоте 8-10 м и заканчивается на высоте 0,5-1 м; оно служит для погашения вертикальной скорости снижения, которую самолет имел на планировании. Выдерживание имеет целью погасить скорость до нормальной посадочной и выполняется с постепенным приближением самолета к земле. К концу выдерживания самолет должен находиться на высоте 0,25 - 0,5 м (считается от колес). Когда подъемная сила становится меньше веса самолета, начинается парашютирование - снижение с возрастающей вертикальной скоростью с высоты конца выдерживания. Заключительный этап посадки - пробег по ВПП.
Таким образом, при обосновании требований к точностным и пространственным характеристикам МПСН в зоне посадки необходимо руководствоваться двумя документами, регламентирующими требования к средствам наблюдения:
• до касания ВС поверхности ВПП требованиями к ПРЛ;
• на этапе пробега ВС по ВПП руководствоваться требованиями, предъявляемыми к системам контроля движения на аэродроме (системы А-БМОСБ).
Требования, предъявляемые к системам А-БМОСБ, изложены в документе Евроконтроля БВ-117 [6]. При этом, до касания ВС поверхности ВПП необходимо измерять три координаты
ВС, а в соответствии с БВ-117 системы А-БМОСБ должны обеспечивать определение координат ВС в горизонтальной плоскости.
Документ БВ-117 устанавливает зону действия систем А-БМвСБ до 5 пт. Это необходимо для того, чтобы диспетчер посадки имел возможность контролировать посадку ВС в зависимости от занятости полосы, так как ПРЛ имеются не на всех аэродромах ГА. Таким образом, требования к системам контроля на этапе захода на посадку и посадки пересекаются. Системы А-БМвСБ должны обеспечивать точность определения координат ВС на плоскости (СКО), равную 7 м [6].
Контроль и управление ВС при посадке по приводным радиостанциям (ОСП) с радиолокационной системой посадки (РСП) ограничены дальностью видимости, равной 1500 м, и высотой полета ВС до 60 м при угле наклона глиссады 2,45 гр. Связано это с точностными характеристиками ПРЛ и необходимым временем на передачу сообщения пилоту команд с момента обнаружения сверхдопустимого отклонения ВС от заданной траектории движения. Задержка с момента обнаружения отклонения ВС до выполнения команды пилотом составляет 5-6 с. Таким образом, с удаления 1500 м до окончания пробега ВС по ВПП необходимо руководствоваться требованиями документа БВ-117.
4. Алгоритмы обработки сигнальной информации для МПСН в аэродромной зоне, зоне захода на посадку и посадки ВС
На рис. 1, 2 приведены схемы, поясняющие работу аэродромной МПСН. В запросчике системы 4 формируется запросный сигнал 6, который излучается в аэродромной зоне. На рис. 2 запросчик 4 и один из приемников 5 совмещены. После получения запросного сигнала в бортовом приемоответчике 8 формируется и излучается ответный сигнал 7. Ответный сигнал 7 принимается приемниками 5 МПСН. Ответный сигнал с выхода приемников 5 передается по линиям связи на вход вычислителя 9. В вычислителе 9 фиксируется время прихода сигнала с каждого приемника 5 и определяется время прихода сигнала в каждый приемник.
При этом все приемники 5 снабжаются аппаратурой высокоскоростной передачи данных, например, по оптоволокну или воздушным линиям связи типа «^!Мах». При установке приемников 5 должно быть точно определено их местоположение в аэродромной СК, что можно обеспечить с помощью лазерного теодолита. Таким образом, будет точно известно расстояние Ы от приемников до вычислителя, а значит, время передачи информации может быть учтено при расчетах местоположения ВС. Все приемники 5 линиями связи сопрягаются с центральным вычислителем, в котором фиксируется время прихода сигнала с каждого приемника 5 с момента посылки запросного сигнала. Вычитая время распространения сигнала от каждого приемника 5 до вычислителя, определяется время распространения сигнала от запросчика до соответствующего приемника 5.
Уравнение дальности для распространения сигнала с момента запроса и до получения ответного сигнала /-м приемником 5 определяется следующим выражением
+ d 0 - хтг )2 + (у - утг )2 + (г - )2 +д/(х - х3 )2 +{у - У3 )2 + (г -13 )2 + сх,
где di - дальность от ВС до /-го приемника; d0 - дальность от запросчика до ВС; хт/ - координаты приемников ответных сигналов; х3 - координаты запросчика; х - задержка ответного сигнала в бортовом ответчике; с - скорость света.
В каждый временной отрезок входит задержка ответчика х. Для определения местоположения ВС, а также исключения влияния задержки ответчика, можно воспользоваться известным разностно-дальномерным методом. Для применения разностно-дальномерного метода необходимо иметь четыре приемника 5, при этом один из приемников 5 целесообразно размещать вместе с запросчиком 4. Определив разность дальностей между различными парами приемников 5, можно получить систему трех уравнений с тремя неизвестными, в которой отсутствует задержка бортового ответчика и дальность от запросчика до ВС.
Рис. 1
Рис. 2
Разностно-дальномерные уравнения могут быть представлены как
ctij = V(x - xм/ )2 + (У - yмг )2 + (z - zмг Y -д/(х - Хм/ ¥ + (У " Ум/ ¥ + (z " Zм/ ¥ , % = t " t,
где /,/"=1,2,3,4, t¿ - время прихода ответного сигнала на соответствующий приемник с момента
излучения запросного сигнала; x, y, z - координаты ВС.
Из системы уравнений численными методами могут быть найдены координаты ВС. Анализ состояния многопозиционных систем наблюдения, требований, предъявляемых к ним нормативными документами, а также алгоритмов обработки сигнальной информации показывает принципиальную возможность реализации средств МПСН отечественного производства.
В ряде случаев МПСН могут заменить традиционные радиолокаторы, их применение особенно востребовано в районах со сложным рельефом, в горах, а также при управлении воздушным движением вертолетов над поверхностью моря между нефтедобывающими платформами при разработке шельфовых месторождений.
ЛИТЕРАТУРА
1. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Авиационная электросвязь. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. Системы передачи цифровых данных. - 1-е изд. - Монреаль: ИКАО, 1995 (с учетом поправки 76 от 01.11.01). - Т. III. - Ч. 1.
2. Implementation of MLAT/ADS-B System. IKAO/FAA Workhop on ADS-B and Multilateration Implementation. Mexico-City, September, 6, 2011. ERA beyond radar.
3. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Авиационная электросвязь. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. Системы обзорной радиолокации и предупреждения столкновений. - 2-е изд. - ИКАО, 1998. - Т. IV.
4. Technical specification for Wide Area Multilateration (WAM) systems. ED-142, September, 2010.
5. Федеральные авиационные правила. Радиотехническое обеспечение полетов и авиационная электросвязь. Сертификационные требования. - М., 1999.
6. EUROCAE «Minimum operational performance specification for mode S use in advanced surfaсe movement guidance and control systems», (A-SMGCS), ED-117, November, 2003.
7. Кондратьев В. С., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы / под ред. проф. В.В. Цветнова. - М.: Радио и связь, 1986.
THE ANALYSIS OF THE CONDITION AND ESTIMATION OF POSSIBILITY OF REALIZATION OF MEANS OF MULTILATERATION SYSTEMS FOR AUTOMATED SYSTEMS OF AIR TRAFFIC MANAGEMENT FOR AIRPORTS
Prokhorov A.V., Stolyarov G.V., Bondar D.S.
The questions, connected with application of Multilateration systems in systems of air traffic management are considered. The analysis of requirements of standard documents to MLAT is carried out. An algorithm of processing of the alarm information for MLAT is given.
Key words: MLAT, ADS-B.
Сведения об авторах
Прохоров Александр Валентинович, 1946 г.р., окончил Рязанский радиотехнический институт (1969), действительный член Российской академии транспорта, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - радиотехнические системы управления воздушным движением, техническая эксплуатация воздушного транспорта, проблемы международного образования.
Столяров Геннадий Владимирович, 1949 г.р., окончил адъюнктуру ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1984), кандидат технических наук, старший научный сотрудник, заслуженный военный специалист России, главный конструктор ОКР «Рейс-2000», автор более 100 научных работ, область научных интересов - системы и средства автоматизации УВД, радиолокации, радионавигации и посадки.
Бондарь Дмитрий Сергеевич, 1986 г.р., окончил МГТУ им. Н.Э. Баумана (2009), ведущий инженер ОАО «НПО «ЛЭМЗ», автор около 10 научных работ, область научных интересов - системы УВД.
