CC BY
101
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Навигация и УВД___________
№121
УДК 623.61:621.391
О КОНЦЕПЦИИ ИНТЕГРАЦИИ СЛУЖБ НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ В ГЛОБАЛЬНЫХ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ И СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ
А.И. ЛОГВИН, И.Д. ПЛАТОНОВ
Рассмотрены аспекты различных подходов интеграции служб УВД и навигации в глобальные радиотехнические системы широкого применения в соответствии с концепциями СЖ/АТМ ИКАО и Технической модернизации ЕС ОрВд России.
Основной задачей служб навигации и управления воздушным движением (УВД) является обеспечение безопасности полетов воздушных судов (ВС) с учетом возможностей возникновения нестандартных ситуаций, обусловленных как непреднамеренными, так и преднамеренно мешающими факторами природного, техногенного или организационного происхождения. Многофакторность причин, вызывающих нестандартные ситуации во время полетов ВС обуславливает необходимость наличия в их радиотехническом обеспечении принципиально независимых, взаимно резервирующих и дополняющих друг друга средств и способов взаимодействия экипажей на борту ВС и диспетчерского состава УВД.
Рассматривая ретроспективно эволюцию организации, навигации и управления воздушным движением, можно отметить ее естественную корреляцию с ходом развития способов использования электромагнитных волн для передачи сообщений и средств радиотехники [1]. На ранних этапах авиации организация воздушного движения (ОрВД) ориентировалась и осуществлялась на основе локальных способов позиционирования в полете с борта ВС и взаимодействия с наземными средствами и службами на основе радиосвязи, также локально (во времени и в пространстве) адаптируемой с помощью средств, имеющихся на борту ВС. Такой подход позволял за счет высокой квалификации экипажей ВС обеспечивать определенную стабильность и безаварийность даже регулярных рейсов. Вместе с тем, на этом этапе используемые методы и приемы организации и управления воздушным движением на основе локальных бортовых средств не позволили сформулировать конструктивную системную концепцию перехода к глобальному обеспечению безопасности авиаперелетов, не говоря уже об автоматизации пилотирования ВС.
Отметим, что это было обусловлено не столько имманентными факторами обсуждаемой проблематики, а, в основном, общими лакунами представлений о возможностях освоения принципиально нового для человечества пространства - воздушного океана. Качественный прорыв в радиотехническом обрамлении авиации был достигнут по направлениям противовоздушной обороны на основе радиолокационной концепции, форсирование реализации которой было обусловлено Второй мировой войной. Начиная с авторской заявки в 1904г. немецкого инженера К.Хюльсмайера с описанием способа и устройства обнаружения объектов по отраженным от них радиоволнам и исследований интерференции радиоволн при отражении от самолета, которую впервые наблюдали американские инженеры Б.Тревор и П.Картер в 1932г., к началу 40-х годов ХХ столетия был создан большой научный радиотехнический задел, который позволил в условиях военной мобилизации стран участниц военных действий перейти к широкомасштабной промышленной реализации радиолокационной концепции. Создаваемые в этих условиях средства представляли огромную палитру возможностей, которые первоначально не вкладывались как базовые, но в ходе проводимых разработок получали свое конкретное прагматическое толкование. Именно в таких условиях формировалась и воплощалась современная концепция радиотехнического обеспечения организации и управления воздушным движением [2].
Интеграция со службами другого функционального назначения определила органичность развития систем ОВД, обеспечивая в широком масштабе минимизацию рисков, всегда связанных с внедрением и организационной увязкой принципиально качественно новых методов управления. В современном виде системы ОВД объединяют под единым организационно функциональным руководством ряд базовых систем фактически глобально интегрированных как по организационным, так и по функциональным принципам в единую общемировую инфрастуктуру радиотехнического обеспечения авиационных перелетов. Они обеспечивают в первую очередь решение задач позиционирования ВС в пространстве, на основе чего происходят дальнейшие процедуры, определяющие действия личного состава экипажа ВС и диспетчерских служб по пилотированию летательных аппаратов (самолетов, вертолетов и др. объектов гражданской авиации).
Решение основополагающей для УВД задачи позиционирования ВС в настоящее время осуществляется с помощью радиолокационных станций (РЛС) систем УВД и радионавигационных систем разностно-дальномерного (гиперболического) и угломерно-дальномерного (полярного) типов. Преимуществом существующей организации позиционирования ВС во время полетов является существенное перекрытие действия различных средств в наиболее напряженных по использованию воздушного пространства регионах. Этим достигается значительная степень резервирования решения задач позиционирования для УВД, что повышает надежность и безопасность функционирования всех систем ОВД [3-7].
Одним из существенных недостатков действующих систем является их высокая энергопотребляемость при ограниченных радиусах действия. Так, например, длинноволновые гиперболические фазовые системы имеют импульсную мощность до 4МВт при расстояниях (базе) между станциями —1000 - 1300 км, обеспечивая дальность действия —2000 км с точностью определения местоположения объекта по поверхностному лучу 600 - 1200м[2]. Аналогичные порядки энергопотребления характеризуют и РЛС систем УВД. Это обусловлено в первую очередь снижением мощности принимаемого сигнала в R4 раз, где R расстояние от РЛС до ВС. Кроме того мощность отраженного от цели сигнала в значительной степени зависит от ракурса облучения объекта вследствие неоднородности диаграммы направленности отражающей поверхности цели. Это приводит к необходимости закладывать повышенные потенциальные характеристики РЛС либо ограничивать их применение лишь к определенному классу объектов.
Другой негативной стороной рассмотренных систем позиционирования объектов в воздушном пространстве является зависимость точности определения координат позиционируемого объекта от его удаленности от средств позиционирования. Именно этим определяется необходимость эшелонирования систем радионавигации для обслуживания различных участков авиалиний. Эти недостатки в значительной степени снижены в спутниковых системах глобального позиционирования. В настоящее время действуют две системы глобального позиционирования: Глобальная навигационная спутниковая система - ГЛОНАСС (Россия) и Global Positioning System - GPS (США). Под эгидой Евросоюза ведутся активные разработки создания новой Европейской системы глобального позиционирования «Galileo».
В соответствии с перспективной концепцией аэронавигации CNS/ATM и ‘Free Flight’, планируемых Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) к внедрению в мире в 2005-20015гг., предусмотрено оснащение всех типов ВС спутниковыми системами для удовлетворения будущих потребностей гражданской авиации в организации связи, навигации, радиолокационного наблюдения/управления воздушным движением. Для решения эксплуатационных проблем на современном уровне эта система использует высокотехнологичное оборудование на спутниках, компьютерах, линиях передачи данных и в бортовой авиационной электронике. Такая интегрированная глобальная система позволит повысить экономичность, эффективность и безопасность полетов и уже сейчас окажет воздействие на организацию и осуществление услуг в области воздушных перевозок. Эта система, одобренная членами ИКАО, находится в настоящее время на экспериментальной стадии.
С этих же позиций сформирован проект Концепции технической модернизации ЕС ОрВД в соответствии с подпрограммой «Единая система организации воздушного движения» федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России». Подтверждением неотвратимости концепции интеграции аэронавигации с технологиями на основе спутниковых систем является постановление Правительства РФ от 09.06.2005г. №365 "Об оснащении космических, транспортных средств, а также средств, предназначенных для выполнения геодезических и кадастровых работ, аппаратурой спутниковой навигации ГЛОНАСС или ГЛО-НАСС/GPS".
На основе стратегического планирования этапов создания и внедрения нового поколения глобальной организации аэронавигации сроки реализации международной и согласованной с ней отечественной концепций охватывают значительный период, длительностью более десятилетия. За такое время при современных темпах обновления промышленных моделей технических средств произойдет не только первичное перевооружение служб организации и управления воздушным движением, но и определенная смена поколений техники. Планирование 10-летнего срока реализации концепций связывается в основном с проблемами сбалансированной организационной увязки развития и действия всех компонентов инфраструктуры.
Ориентация на спутниковые технологии принципиально связывается с вопросами применения для решения задач аэронавигации, в том или ином виде, возможностей систем общего применения, ориентированных на широкий спектр предоставления услуг весьма различным службам и потребителям. Все эти системы широкого назначения и требуют значительных организационных мероприятий для возможности интегрирования их функций в специализированные системы.
Напомним, что процедура позиционирования какого-либо объекта спутниковыми системами глобального позиционирования обеспечивается лишь непосредственно в месте дислокации позиционируемого объекта. Это происходит за счет обработки синхронизированных электромагнитных излучений от нескольких спутников систем глобального позиционирования, пространственные координаты которых известны с необходимой степенью точности. Такая реализация процедур позиционирования принципиально отличается от радиолокационных методов, при которых определение координат объекта осуществляется на основании обработки отраженных от цели сигналов в месте дислокации внешней (по отношению к позиционируемому объекту) приемопередающей аппаратуры.
Это приводит к тому, что формирование первичной информации о координатах позиционируемого объекта в ГЛОНАС и GPS происходит непосредственно на борту ВС и необходимы специальные технические и организационные мероприятия для передачи их в подразделения диспетчерских служб УВД. При радиолокационном обеспечении ОВД информация о координатах ВС во время полета доступна диспетчерам УВД независимо от состояния и организации взаимодействия диспетчерских служб с ВС.
Кроме указанной «инверсии» информационного трафика взаимодействия экипажа ВС и диспетчерских служб УВД существуют и другие рассогласования, требующие организационной увязки с учетом действующей практики и опыта экспериментальной отработки вновь вводимых процедур. Это касается, например, различия геоцентрических систем координат, в которых работают система ГЛОНАСС (Параметры Земли - 90) и GPS (World Geodetic System, 1984). Различия геоцентрических систем координат состоят в их ориентировке в теле Земли и в принятых для их установления физических параметрах Земли и геометрических параметров принятых эллипсоидов. Основной составной частью координатных систем являются опорные геодезические сети, которые фиксируют положение координатной системы в теле Земли. Различия разных общеземных систем координат обусловлено особенностями построения и обработки геодезических сетей. Этими примерами мы хотим подчеркнуть нетривиальность реализации возможностей интеграции функций систем общего назначения в специализированные, корпоративно регламентированные системы ОрВД и УВД.
Современное развитие широкодоступных служб общего назначения на основе спутниковых систем выводит их из этапа узко корпоративного применения, переводя в рыночные отношения процессы формирования и распределения их услуг. Во второй половине ХХ века развитие рыночных отношений по реализации и распределению товарной продукции активно ориентировалось на логистические подходы, которые обеспечивают определенную редукцию товарных потоков и необходимое их демпфирование для согласования регулярных потоков производителей и стохастических потоков спроса. Аналогичная ориентация, по-видимому, будет наблюдаться и в сфере услуг на основе информационных технологий. Критерием эффективности при этом является появление за счет логистики приемлемого по цене нового качества.
Примером, иллюстрирующим такой подход, является способ организации высоко гарантированной мобильной связи на основе роуминговых соглашений [9]. Для каждой географической точки пространства, имеющей покрытие хотя бы одной мобильной сетью связи, обеспечивается возможность выбора оператора с наилучшими в каждый момент времени условиями организации связи. Это типичный логистический подход, перенесенный в сферу услуг на основе информационных технологий. Целью логистического обслуживания является гарантированное предоставление пользователю телекоммуникационных услуг в любой географической точке, имеющей покрытие хотя бы одной сетью сотовой связи, и оптимизация качества предоставляемых услуг в зонах покрытия несколькими сетями сотовой связи.
Это достигается за счет организации «гостевого» доступа пользователя в зонах покрытия сетями сотовой связи на основе роуминга без привязки к ним пользователя как «домашнего». В результате обеспечивается:
- гарантированное предоставление пользователю телекоммуникационных услуг в любой географической точке, имеющей покрытие хотя бы одной сетью сотовой связи, с которыми заключено роуминговое соглашение
Os=uOi ; ie I,
где Os - зона гарантированного предоставления телекоммуникационных услуг пользователю; Oi - зона покрытия i-й сетью сотовой связи; I - множество сетей сотовой связи, с которыми заключено роуминговое соглашение;
- оптимизация качества услуг в зонах покрытия несколькими сетями сотовой связи
Ksj=maxKij ; J e Os,
где Кт - качество услуг, предоставляемых пользователю в 1-й географической точке; К - качество услуг, обеспечиваемое >й сетью сотовой связи пользователю в 1-й географической точке.
Отмечая, что реализация концепции СК8/ЛТМ находится в настоящее время на экспериментальной стадии, ИКАО тем самым подчеркивает необходимость повышенной аналитической обеспеченности этого этапа развития аэронавигации. Сложность проведения эксперимента в действующей системе с учетом высоких материальных и финансовых затрат, ограничивая действительно экспериментальные исследования на эксплуатируемых фрагментах, ставят вопросы организации экспериментальной проверки и отработки организационных взаимоотношений на фрагментах меньшей функциональной мощности, но охватывающих существенный спектр эксплуатационных ситуаций.
В мировой и отечественной практике освоения воздушного океана в первой половине ХХ столетия происходила подобная коренная перестройка радиотехнической инфраструктуры обеспечения авиации. При этом огромное влияние на выработку концепции оказали исследования и экспериментальная отработка систем радиосвязи в КВ-диапазоне. Этот процесс носил массовый характер, но практически нецентрализованный. Вместе с тем, за счет высокой коммуникабельности участников и широкой, в связи с этим, доступности информации о различных результатах проводимых радио сеансов, за достаточно короткое время был накоплен огромный экспериментальный материал, который послужил основой многих направлений применения радиосвязи, начиная от регламента распределения радиочастотного спектра, до исследования ионосферы и воздействия космических лучей.
В настоящее время нечто подобное может быть инициировано на основе легализации определения координат местоположения ВС, на котором возникла чрезвычайная ситуация, и передачи регламентированного сообщения об этом любым участником полета [10]. Наряду с организационно техническими процедурами это обеспечивает участникам полета в полной мере выполнение положений Статьи 93 Воздушного кодекса РФ. В проекте Концепции [8] процедуры в этих ситуациях рассмотрены в подразделе 2.2.7. Указывается, что процедуры поиска и спасания требуют распределения информации о планах полетов и/или последнего радиолокационного изображения или последнего местоположения АЗН для соответствующих полетов. Данное распределение может выходить за рамки авиационного сообщества, и таким образом, важно обеспечение взаимодействия с инфраструктурами связи, не имеющими отношения к системе ОВД. Такая оценка позволяет говорить об определенной обособленности и выделенности этих ситуаций для задач организации и управления воздушным движением.
Несмотря на эпизодический характер, возникновение чрезвычайных ситуаций (терпящее или потерпевшее бедствие ВС, согласно Ст.86 ВК РФ), к сожалению, не так уж редко, но главное, что они могут и возникают на всех этапах пилотирования ВС. Это дает опыт оценки качества и организации взаимодействия формализованными сообщениями в структурах интеграции систем общего назначения для широкого спектра ситуаций. Тем более, что напряженность и неординарность обстановки при чрезвычайных ситуациях, а также нередко связанные с этим потери ресурсов сил и средств, особенно контрастно выделяют все недостатки и промахи регламентации отношений, возникающих в этих ситуациях.
Важным оттенком рассматриваемого проекта является то, для его реализации можно обойтись без бюджетного финансирования. Это достаточно широкая сфера применения наукоемкой продукции. Легализация ее применения физическими лицами достаточно естественно создаст предложения на такие средства. Соответствующим организациям гражданской авиации в этих условиях необходимо нормировать требования и ограничения с целью:
- сертификации технических средств для индивидуального персонального использования;
- стандартизации электронных сообщений о чрезвычайных ситуациях на борту ВС;
- регламентации трафика и маршрутизации аварийных сообщений;
- регистрации индивидуальных средств глобального позиционирования на борту ВС;
- защиты передачи аварийных сообщений и предотвращения передачи ложных сообщений на основе регламентации «электронной подписи».
В ходе экспериментальной эксплуатации возможно появление дополнительных требований или рекомендаций для интеграции функций систем широкого назначения с целью выполнения с высокой степенью надежности узкоспециализированных функций. Но именно это является одной из задач экспериментальной отработки корпоративной интеграции возможностей спутниковых и других систем широкого назначения.
ЛИТЕРАТУРА
1. 100-летие начала использования электромагнитных волн для передачи сообщений и зарождения радиотехники. // Международная конференция, тезисы докладов. - М.: РНТО РЭС им. А. С. Попова, 1995.
2. Самолетные навигационные системы; Пер. с англ. - М.: 1973.
3. Бакланов Ю.А., Ходаковский В. А. Сети авиационной связи России // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №36, 2001. С. 103 - 111.
4. Черняков М.В., Гришуков А. А. Системы связи аэродромов России. Текущее состояние // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №51, 2002. С. 59 - 67.
5. Логвин А.И., Орлов О.Е., Платонов И.Д. Информационная безопасность и управление планированием ресурсов систем критических приложений с высоким уровнем компьютеризации и распределенными архитектурами в Гражданской Авиации // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №51, 2002. С. 35 - 40.
6. Логвин А.И., Платонов И.Д. Стратегическое планирование телекоммуникационного обеспечения полетов для решения задач управления воздушным движением // Научный Вестник МГТУ ГА, № 100, 2006. С. 98-101.
7. Платонов И.Д. Повышение эффективности телекоммуникационного обеспечения полетов в условиях априорной неопределенности электромагнитной обстановки для решения задач управления воздушным движением. Дис. ... на соискание ученой степени кандидата технических наук. Научный руководитель Логвин А.И. // МГТУ ГА - М., 2003г.
8. КОНЦЕПЦИЯ (проект) Технической модернизации ЕС ОрВД России на период до 2015г. на основе концепции CNS\ATM ИКАО в соответствии с подпрограммой «Единая система организации воздушного движения» федеральной целевой программы «Модернизация транспортной системы России»// Министерство транспорта РФ, ФАВТ. - М., 2006.
9. Ившин А.В. Этапы становления роуминга GPRS. // Межрегиональный ТранзитТ елеком. www/mtt.ru, 2004.
10. Технические требования к комплексу аппаратно-программных средств по обеспечению функций оперативно -розыскных мероприятий в российском сегменте системы ГППСС ГЛОБАЛСТАР // Министерство РФ по связи и информатизации. - М., 2001.
ABOUT CONCEPTION INTEGRATION SERVICES OF NAVIGATION AND AIR TRAFFIC CONTROL TO GLOBAL RADIO AND SATELLITE SYSTEMS
Logvin A.I., Platonov I.D.
Integration services of navigation an Air Traffic Control to global radio and satellite systems are considered.
Сведения об авторах
Логвин Александр Иванович, 1944г.р., окончил КИИГА (1966), доктор технических наук, профессор, действительный член Академии транспорта РФ, заведующий кафедрой ТЭРТОС МГТУ ГА, автор свыше 430 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 19 научных работ, область научных интересов - автоматизированные телекоммуникационные сети и системы.
