CC BY
1040
2008
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Навигация и УВД
№ 136
УВД 629.735
НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АЭРОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЕ РОССИИ
В.В. СОЛОМЕНЦЕВ, И.В. АЛИПОВ По заказу редколлегии
Показано текущее состояние разработки российской промышленностью и внедрения в гражданскую авиацию России перспективных технологий CNS/ATM.
Статистика последних лет показывает постоянный рост интенсивности воздушного движения в воздушном пространстве Российской Федерации. В 2007 году количество обслуженных системой организации воздушного движения (ОрВД) полетов впервые в истории превысило один миллион. Традиционные технологии ОрВД уже не справляются с нарастающими проблемами эффективного и безопасного обслуживания воздушного движения. С целью решения нарастающих проблем Международная организация гражданской авиации ИКАО разработала Концепцию CNS/ATM - будущих систем связи, навигации и наблюдения, используемых в целях организации воздушного движения (ОрВД).
Согласно этой концепции решение нарастающих проблем обслуживания воздушного движения (ОВД) следует искать в широком использовании спутниковых технологий и цифровых линий связи - линий передачи данных (ЛПД). Система ОВД, основанная на линиях передачи данных, будет использовать их для интенсивного обмена информацией между всеми участниками процесса ОрВД: авиакомпаниями, экипажами воздушных судов, диспетчерами и органами ОрВД.
Одними из ключевых компонентов в будущей аэронавигационной системе станут глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) и технологии автоматического зависимого наблюдения (АЗН). Следует отметить, что перспективные системы связи, навигации и наблюдения, в отличие от традиционных систем, трудно разделимы. Так, автоматическое зависимое наблюдение реализуется передачей по цифровой линии связи координатной информации, получаемой на борту воздушного судна от бортовых навигационных систем и систем определения местоположения (в частности от ГНСС). В то же время высокоточная и надежная навигация с использованием ГНСС обеспечивается за счет дифференциального режима работы, требующего наличия ЛПД «земля-борт».
В связи с этим в статье рассмотрены именно эти два компонента (спутниковая навигация и автоматическое зависимое наблюдение), основные результаты проведенных в России в последние годы работ по их созданию и перспективы применения.
Навигация с использованием ГНСС основана на возможности определения координат и скорости ВС, практически в любой точке околоземного пространства. Именно глобальный характер действия спутниковой системы и доступность спутниковых сигналов на малых высотах обеспечивают высокую эффективность ее применения.
Использование спутниковой навигации, наряду с радиомаяками типа VOR и DME, позволяет внедрить такие высокоэффективные технологии, как зональная навигация и заход на посадку на основе ГНСС.
Однако без использования специализированных функциональных дополнений (бортовых -ABAS, наземных - GBAS и космических - SBAS) применение спутниковой навигации ограничено в связи с недостаточной точностью и целостностью получаемых координатных данных.
Неточный заход на посадку возможен с использованием бортовых функциональных дополнений. Большинство современных самолетов оснащено таким оборудованием. Для категориро-ванной же посадки необходимы функциональные дополнения наземного или спутникового базирования.
В нашей стране разработано и сертифицировано функциональное дополнение наземного базирования - локальная контрольно-корректирующая станция ЛККС-А-2000 (производитель ООО «Спектр»). О своем желании производить аналогичное оборудование заявили и другие предприятия отечественной промышленности. Разработано и производится необходимое бортовое оборудование (ОАО «ВНИИРА», ЗАО «Навис» и др.).
Принцип действия систем функционального дополнения наземного базирования ОБАБ заключается в приеме сигналов ГНСС, высокоточном определении собственных координат, сопоставлении их с фактическими, вычислении погрешностей измерений, вызванных условиями распространения сигналов ГНСС в данном районе, и передаче их в виде поправок на борт ВС по цифровой линии передачи данных (рис. 1). На борту поправки используются для компенсации погрешности измерений. Этот метод получил название - дифференциальный. Кроме повышения точности измерений наземная станция обеспечивает мониторинг состояния спутниковой группировки и контроль целостности результатов измерений на борту ВС.
Рис. 1. Принцип действия систем функционального дополнения наземного базирования GBAS
В перспективе возможен поэтапный переход от GBAS к функциональному дополнению регионального или космического базирования, аналогичному разворачиваемому в США (WAAS), Японии (MSAS), Европе (EGNOS) и некоторых других странах. Модернизированные станции GBAS будут использоваться в качестве опорных станций сначала региональной системы GRAS, а затем SBAS (рис. 2).
В 2007 году с участием ФГУП Г осНИИ «Аэронавигация», ЗАО «Спектр», ОАО «Г азпро-мавиа», ОКБ им. Яковлева в аэропорту Осафьево проведена подконтрольная (опытная) эксплуатация самолета Як-42Д, оборудованного бортовой аппаратурой ГНСС, выполнены комплексные испытания категорированного захода на посадку по сигналам ГНСС/ЛККС (рис. 3), получена диспетчерская оценка, разработаны технологии работы диспетчеров УВД. В 2008 году проведена апробация технологии неточного захода на посадку по сигналам ГНСС без использования наземной аппаратуры GBAS. Испытания показали высокое качество работы аппаратуры и принципиальную возможность применения метода. По результатам испытаний определены дальнейшие необходимые действия (как технического, так и нормативно-правового характера), направленные на внедрение технологии.
ЛККС
Рис. 2. От GBAS к функциональному дополнению космического базирования
Рис. 3. Заход на посадку по сигналам ГНСС
В ближайшие годы в рамках плана модернизации Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации (ЕС ОрВД) и реализации федеральной целевой программы «Г лобальная навигационная система» планируется установить оборудование ОБЛ8 в более чем 60-ти аэропортах России, а также оснастить воздушные суда аппаратурой ГЛОНАСС/ОР8.
Несмотря на положительные предварительные результаты проводимых испытаний, остается нерешенным вопрос о достаточности бортовой аппаратуры контроля целостности ЯЛ1М для выполнения процедур неточного захода на посадку. Этот вопрос требует проведения дополнительных испытаний бортовой аппаратуры и по прогнозам будет решен в ближайшее время. Ведется разработка системы мониторинга состояния спутниковой группировки в интересах авиации, также предназначенной для повышения целостности координатной информации.
Необходимым условием внедрения рассмотренных технологий является также наличие официально опубликованных точных координат аэронавигационных ориентиров в системе координат WGS-84 (ПЗ-90.2). Работа по геодезической съемке проведена только в 40 аэропортах
России, а ее опубликование с точностью, рекомендованной ИКАО, до сих пор невозможно. Необходима также разработка нормативной базы по применению технологии.
Соответствующие мероприятия запланированы и можно рассчитывать на реальное внедрение технологий зональной навигации и заход на посадку с использованием ГНСС на 2008-2009 годах. Их внедрение даст значительный эффект для авиакомпаний, особенно при выполнении операций в районе аэродрома. На рис. 4 показан пример изменения схем маневрирования, позволяющих обеспечить экономию топлива и снижение эмиссии газов на10-15%. Внедрение же процедур захода на посадку по сигналам ГНСС особенно актуально для малых аэродромов, для которых установка курсоглиссадных систем слишком дорога.
Существующая схема Схема зональной навигации по ГНСС
Рис. 4. Схемы маневрирования в районе аэродрома
Имея на борту воздушного судна точную и целостную навигационную информацию, ее можно использовать, кроме собственно навигации, и для обеспечения функции наблюдения -автоматического зависимого наблюдения (АЗН), то есть передавать эту информацию по ЛПД в систему управления воздушным движением (УВД) для обработки и отображения диспетчеру, осуществляющему непосредственное УВД, а также другим потребителям.
Основные преимущества АЗН заключаются в улучшении качества наблюдения и распространении этой функции на области воздушного пространства, находящиеся вне зоны радиолокационного наблюдения. АЗН предоставляет службе УВД более точную информацию для безопасного эшелонирования ВС в воздухе и на поверхности аэродрома.
В настоящее время точность наблюдения на основе радиолокационных станций (РЛС) является функцией дальности и уменьшается по мере увеличения расстояния между антенной РЛС и ВС. В отличие от РЛС, точность и целостность системы АЗН неизменна во всей зоне обслуживания. Система наблюдения, которая использует АЗН, предоставит службе УВД возможность точной идентификации и определения местоположения ВС, которые находятся на значительном удалении от наземных средств УВД (океанические районы), либо вне зоны обслуживания РЛС (нижнее воздушное пространство).
Наличие более точной информации о положении ВС позволит использовать оптимальные траектории полета и повысить пропускную способность воздушного пространства. Кроме того, благодаря АЗН обновление информации о ВС в системе УВД будет происходить чаще по сравнению с РЛС, и благодаря этому появится возможность отслеживать траекторию полета ВС с большей точностью. Это, в сочетании со средствами точной навигации, приведет к внедрению сокращенных норм эшелонирования, уменьшению речевого обмена между службой УВД и эки-
пажем с высвобождением времени для работы с другими ВС в выделенном воздушном пространстве. Все это, в конечном счете, приведет к увеличению количества обслуживаемых ВС, повышению пропускной способности аэронавигационной системы.
Различают два вида АЗН - «контрактное» (АЗН-К/АОБ-С) и «вещательное» (АЗН-В/А08-Б) (рис. 5). Линии передачи данных (ЛПД), используемые для АЗН, позволяют также реализовать ряд других дополнительных функций, основанных на информационном обмене.
Рис. 5. Технологии автоматического зависимого наблюдения
При контрактном АЗН сообщения (координаты и другая необходимая информация) с борта воздушного судна по ЛПД «воздух-земля» передаются конкретному органу управления воздушным движением, с которым установлен контракт, то есть определены передаваемая информация и условия ее передачи (частота передачи и события, инициирующие передачу).
В настоящее время АЗН-К применяется, в основном, для обслуживания полетов воздушных судов в океанических и удаленных континентальных районах с неразвитой наземной инфраструктурой с использованием спутниковых, коротковолновых и ультракоротковолновых линий связи и телекоммуникационных сетей.
Существуют две основные технологии АЗН-К: БАК8-1/А (АСАЯБ) и АТЫ- БАИРБ (УБЬ 2, АМББ).
Технология БАЫ8-1/А (АСАЯБ) основана на спутниковых и ультракоротковолновых линиях передачи данных, для нее опубликованы отраслевые (промышленные) стандарты и спецификации. Технология рекомендована ИКАО для обслуживания в океанических и удаленных континентальных районах. Оборудование установлено на более 2000 воздушных судах. Используется в океанических центрах США, Канады, Ирландии, Австралии, Новой Зеландии и Японии. В России эксплуатируется в Магаданском районом центре ЕС ОрВД и планируется к внедрению в Мурманском районом центре ЕС ОрВД.
Технология АТЫ БАЯРБ (УБЬ 2, АМББ) также основана на спутниковых и ультракоротковолновых линиях передачи данных. Для нее опубликован международный стандарт, однако этим оборудованием оснащено только несколько десятков ВС.
Технология УБЬ-2 предполагается для обслуживания воздушных судов в воздушном пространстве Европы. Отечественное наземное и бортовое оборудование для технологий АЗН-К находится в стадии разработки и сертификации.
При вещательном АЗН (рис. 5) сообщения (координаты и другая необходимая информация) с борта воздушного судна передаются автоматически в вещательном режиме всем оборудованным потребителям (центрам управления воздушным движением, соседним воздушным судам, аэродромным автотранспортным средствам). АЗН-В применяется для обслуживания в пределах дальности радиовидимости.
Рис. 5. Конфигурация системы АЗН-В
ИКАО стандартизировала три технологии для реализации вещательного АЗН: расширенный сквиттер - 1090ES, VDL режима 4 и приемопередатчик универсального доступа - UAT.
В качестве глобального решения на начальном этапе ИКАО рекомендовано использовать технологию 1090 ES, являющуюся развитием ВОРЛ режима S. Оснащенность аппаратурой 1090 ES воздушных судов, осуществляющих полеты в центральной Европе и США (рис. 6), достигает 80-90%. Учитывая уровень оснащенности ВС, предполагается, что в России она будет использоваться при полетах в верхнем воздушном пространстве и на международных воздушных трассах. Эта технология позволяет передавать данные с борта ВС через наземные приемные станции диспетчерам УВД для наблюдения за движением воздушных судов (режим OUT). Внедрение наземных приемных станций существенно расширит зону наблюдения системы УВД и создаст резерв на случай отказа вторичных радиолокаторов.
Mode S ELS/EHS/ES Equipage Trend (measured at Charles De Gaulle)
. -—
— ELS Capability EHS Capability
s <3P cSP S3P чР
^ у ^
Time of measurement
ELS
EHS
ES
- базовое наблюдение на основе ВОРЛ;
- улучшенное наблюдение с использованием ВОРЛ режима 8;
- расширенный сквиттер для реализации АЗН-В
Рис. 6. Оснащенность воздушных судов технологией режима Б (по данным аэропорта Шарль де Г оль - Франция, г. Париж)
Внедрение аппаратуры 1090Е8 на борту ВС осуществляется путем модернизации систем предупреждения столкновений ТСАБ, обязательных для полетов в международном воздушном пространстве. Результаты наблюдений в Московской воздушной зоне показали, что аппаратурой 1090ЕБ оснащено 40-50% ВС. Наземная аппаратура является развитием средств вторичной радиолокации режима Б, однако не требует излучения мощных запросных сигналов и потому значительно менее энергоемкая и менее дорогостоящая в эксплуатации. Наземное и бортовое оборудование разрабатывается отечественной промышленностью. Сертифицированная бортовая аппаратура и макетный образец были представлены ОАО «Концерн ПВО «Алмаз-Антей» на выставке МАКС-2007, в этом направлении работают и другие предприятия. По мнению Евроконтроля, эксплуатационное применение (75% охвата наземной и бортовой инфраструктур) 1090ЕБ ОиТ для наблюдения в Европе будет достигнуто в 2015 году (2014 год - США) при первых применениях в 2008-2009 годах.
Организация передачи данных в обратном направлении по линии связи «воздух-воздух» (режим Ш) предполагается в перспективе. Международные стандарты на эти функции находятся в стадии разработки. Применение 1090ЕБ Ш для связи по линии «воздух-воздух» и «земля-воздух» планируется начать после 2010 года (в США - после 2020 года).
Следует отметить, что условия полетов и сами воздушные суда, осуществляющие полеты в нижнем воздушном пространстве, существенно отличаются от магистральных ВС. Поэтому США было предварительно принято решение использовать для АЗН-В в нижнем воздушном пространстве отдельную технологию ИАТ с единой частотой приема-передачи 981 МГц. То есть в США планируется использование двух технологий: в верхнем воздушном пространстве -1090ЕБ, в нижнем - ИАТ. Стратегия внедрения АЗН-В в США опубликована и идет ее уточнение в консультациях с пользователями воздушного пространства. Результаты дискуссии выявили ряд противоречий пользователей воздушного пространства, промышленности и поставщиков аэронавигационного обслуживания. В частности, необходимо решить вопрос о весьма высокой стоимости двухрежимного решения и премуществах, которые получат пользователи воздушного пространства от его реализации.
В настоящее время в региональных проектах используются технологии ИАТ (Аляска) и УБЬ4 (Северная Европа).
В России сертифицированно наземное оборудование режима УБЬ-4 (разработчик ООО «Фирма «НИТА»), сертификация бортового оборудования УБЬ-4 (разработчик ООО «Фирма «НИТА» и ФГУП «ГосНИИ АС») будет закончена в 2008 году. Технология основана на применении ЛПД диапазона ОВЧ, позволяющей осуществлять двусторонний обмен данными «земля-воздух-земля». В связи с этим используемая линия связи позволяет обмениваться информацией между ВС, между ВС и авиакомпанией, организовать цифровую передачу данных «диспетчер-пилот», передавать с земли на борт воздушного судна информацию о воздушной обстановке и метеоинф ор мацию.
В России в настоящее время в тестовом режиме осуществляются следующие региональные проекты АЗН-В на основе технологии УОЬ-4: московская целевая программа «Возрождение и развитие региональных авиаперевозок с использованием малой авиации на 2006-2010 годы» и авиационное обеспечение работ по освоению нефтегазоконденсатных месторождений на полуострове Ямал.
В рамках пилотных проектов, реализуемых в России, предполагается отработать процедуры/технологии и подготовить соответствующие изменения в нормативно-правовую документацию.
Таким образом, глобальная совместимость российской аэронавигационной системы будет осуществляться через применение технологии 1090ЕБ (наряду с использованием других специализированных ЛПД). Решение вопроса о применении какой-либо технологии в нижнем воз-
душном пространстве возможно только после тщательного технико-экономического анализа с учетом затрат на их внедрение, предусматривающего создание двукратного поля (по одному для каждого режима), затрат на оборудование ВС, обеспечение взаимодействия между сетями двух режимов. Результаты такого анализа должны быть опубликованы, и только после дискуссии с участием всех заинтересованных сторон может быть принято решение.
Внедрение технологий АЗН должно проводиться с определенной степенью осторожности. Так FAA признает, что в использовании системы GPS, как средства определения местоположения ВС, есть уязвимые места. Возникают случаи, когда GPS может оказаться ненадежной в определенных местах и в определенное время в связи с наличием помех от других радиотехнических средств или солнечной активностью.
В этом случае нужна резервная стратегия, обеспечивающая службу УВД информацией наблюдения. Стратегия должна обеспечивать функцию наблюдения для УВД в той же степени, что обеспечивают современные резервные виды наблюдения. Другими словами, должен сохраняться, по крайней мере, такой же уровень пропускной способности при потере спутникового сигнала, как это было бы при потере радиолокационного сигнала.
Рис. 7. Проект Москва-АЗН в 2007 году
Такому подходу в наибольшей мере соответствует стратегия сохранения сокращенной сети РЛС. Согласно этой стратегии, услуги РЛС будут предоставляться в зоне подхода с высокой и, частично, средней плотностью движения, а также в воздушном пространстве на маршруте на высоте более 5386 м (18000 футов). Для этого потребуется на долгосрочную перспективу сохранять определенную часть ВОРЛ, но при этом сократить их общее количество. Услуги пер-
вичных РЛС сохранятся на стратегических трассовых позициях и во всем аэродромном воздушном пространстве, где они предоставляются в настоящее время, в целях компенсации единичных отказов бортовой электроники.
Внедрение новых технологий СКБ/АТМ является приоритетной задачей развития аэронавигации, оно принесет значительные выгоды как поставщику услуг аэронавигационного обслуживания, так и, в первую очередь, пользователям воздушного пространства. Эта задача должна решаться совместными усилиями системы ОрВД и эксплуатантов. Все необходимые заделы имеются, осталось действовать.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГОСТ 24.104-85. Автоматизированные системы управления. Общие требования.
2. ГОСТ 24.701-86. Надежность автоматизированных систем управления.
3. Хухлаев Е. Операционные системы реального времени и КТ. Открытые системы, № 5, 1997, с. 48-51.
4. Уолренд Дж. Телекоммуникационные и компьютерные сети. - М.: ПОСТМАРКЕТ, 2001
5. РРТОП ТЭ - 2000.
NEW TECHNOLOGIES IN AERONAVIGATION SYSTEM OF RUSSIA
Solomentsev V.V., Alipov I.V.
The current status of CNS/ATM satellite based technologies development and implementation in Russian Civil Aviation is shown.
Сведения об авторах
Соломенцев Виктор Владимирович, 1957 г.р., окончил МИЭМ (1980), доктор технических наук, профессор, директор ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт аэронавигации», заведующий кафедрой ФГОУ ВПО МГТУ ГА, автор более 130 научных работ, область научных интересов - системы связи навигации и наблюдения/организации воздушного движения, моделирование.
Алипов Иван Владимирович, 1947 г.р., окончил МИНХ и ГП (1971), кандидат технических наук, начальник отдела ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт аэронавигации», автор более 110 научных работ, область научных интересов - системы связи навигации и наблюдения/организации воздушного движения, моделирование.
