CC BY
558
УДК 621.396
ОРГАНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВЫСОКОЧАСТОТНОЙ СВЯЗИ И ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ДЛЯ ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
В.В. МАСЛОВ, Н.Ю. РУНОВ, В.В. СОЛОМЕНЦЕВ
В статье рассматриваются проблемы организации системы авиационной электросвязи и передачи данных ВЧ-диапазона. Обосновывается выбор числа и места размещения сети наземных радиостанций.
Ключевые слова: ВЧ-связь, передача данных, организация воздушного движения, ионосферное распространение.
Авиационная подвижная сеть ВЧ-диапазона используется для обеспечения дальней связи с воздушными судами (ВС), выполняющими полеты в океанических и/или отдаленных районах континентального воздушного пространства, над малоосвоенными и труднодоступными территориями, когда организация связи в диапазоне ОВЧ существенно затруднена или практически невозможна. Кроме того, радиосвязь в ВЧ-диапазоне рассматривается в качестве резервной, в том числе и в случае наличия канала авиационной подвижной спутниковой связи с ВС. В соответствии с концепцией CNS/ATM ИКАО радиосвязь в диапазоне ВЧ будет сохранена в среднесрочной перспективе, в первую очередь для обеспечения связи над полярными районами, которые не охвачены действием геостационарных спутников.
К системе авиационной подвижной радиосвязи ВЧ-диапазона и передачи данных (HFDL) предъявляется ряд требований, определяющих ее место в перспективной системе организации воздушного движения (ОрВД):
• непосредственное бесперебойное ведение радиотелефонного обмена диспетчеров службы движения с экипажами ВС на протяжении всего полета на тех участках воздушных трасс, на которых отсутствует перекрытие полем радиосвязи ОВЧ диапазона;
• постоянная готовность обмена сообщениями между диспетчерскими пунктами службы движения и экипажами воздушных судов;
• высокое качество связи;
• связь без поиска и без подстройки;
• возможность циркулярной передачи сообщений экипажам воздушных судов.
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) позиционирует на среднесрочную перспективу ВЧ-речевую связь как основной вид речевой связи для океанических районов и районов с низкой/средней плотностью воздушного движения, где можно создать только ограниченную эффективную наземную инфраструктуру связи (рис. 1).
Система HFDL для целей УВД позволяет обеспечивать технологии взаимодействия “диспетчер-пилот” по линии передачи данных (CPDLC) и автоматическое зависимое наблюдение на основе контракта (ADS-C). Для целей полетно-информационного обслуживания в рамках ОВД и в рамках АОК позволяет организовать обмен сообщениями D-METAR (авиационные сводки погоды), D-ATIS (автоматическая передача информации в районе аэродрома), NOTAM, а также данными о местоположении воздушного судна, о выполнении графика полета и прогноза расхода топлива, сообщениями со свободным текстом.
Рис. 1. Развитие речевой связи для океанических районов и районов с низкой/средней плотностью воздушного движения
Линия передачи данных ИБВЬ в этих районах также предполагается как основное средство для передачи данных (рис. 2).
Время
Рис. 2. Технологии передачи данных для океанических районов и районов с низкой/средней плотностью воздушного движения
Руководство ИКАО по требуемым характеристикам связи (ЯСР) определяет типы ЯСР на основании следующих параметров:
- время транзакции связи - максимальное время завершения транзакции эксплуатационной связи, по истечении которого инициатору следует приступить к выполнению альтернативной процедуры;
- непрерывность - вероятность того, что транзакция эксплуатационной связи может быть завершена в течение времени транзакции связи;
- готовность - вероятность того, что транзакция эксплуатационной связи может быть инициирована по мере необходимости;
- целостность - вероятность одной или нескольких необнаруженных ошибок в завершенной транзакции связи.
В табл. 1 указаны типы ЯСР, предусмотренные для общего применения.
Моделирование и мировой опыт использования системы НБВЬ показывает, что ее характеристики при соответствующем построении системы могут удовлетворить требованиям ЯСР 400. Так, океанические районы и районы с низкой/средней плотностью воздушного движения, где можно создать только ограниченную эффективную наземную инфраструктуру связи, могут быть надежно обслужены ИБВЬ системой связи.
Таблица 1
Типы RCP
Тип RCP Время транзакции (с) Непрерывность (вероятность/ ч полета) Г отовность (вероятность/ ч полета) Целостность (допустимая частота/ ч полета)
RCP 10 10 0,999 0,99998 10-5
RCP 60 60 0,999 0,9999 10-5
RCP 120 120 0,999 0,9999 10-5
RCP 240 240 0,999 0,999 10-5
RCP 400 400 0,999 0,999 10-5
Сложившаяся в последние десятилетия практика использования средств ВЧ-связи в нашей стране обладает рядом недостатков:
• применение морально устаревших средств радиосвязи, не позволяющих оперативно адаптироваться к условиям распространения радиоволн;
• закрепление радиосредств за конкретным районом ОВД, при котором каждое воздушное судно поддерживает связь с наземной ВЧ станцией, обслуживающей данный район управления воздушным движением.
Разработанные в последние годы современные технические средства позволят устранить большую часть недостатков, перейти к созданию комплексной национальной сети связи ВЧ-диапазона.
Для достижения значительно более высокой степени готовности и эффективности системы, практика, при которой каждое воздушное судно поддерживает связь с наземной ВЧ станцией, обслуживающей данный район управления воздушным движением, должна быть заменена более эффективным глобальным решением. Каждое воздушное судно должно поддерживать связь с диспетчерами службы ОВД через региональный центр связи, дающий возможность подключаться к любому радиоцентру ВЧ-диапазона, работающему на любой из присвоенных частот, которые пригодны для передачи в данный момент времени. Такой принцип работы дает возможность системе использовать более широкий набор из пригодных для передачи частот.
Воздушные суда, находящиеся на расстоянии 4000 - 5000 км, будут попадать в зону действия сразу нескольких радиоцентров ВЧ-диапазона. Такую концепцию построения системы, когда в зоне охвата действуют несколько радиоцентров ВЧ-диапазона, работающих на нескольких частотах, часто называют методом пространственно частотного разнесения, который эффективно применяется в целом ряде различных систем связи.
Отличительными особенностями подобной системы являются:
• наличие нескольких региональных центров связи “воздух-земля”, взаимосвязанных между собой, с конечными пользователями и мощными радиоцентрами, посредством наземных каналов связи;
• обеспечение высокой надежности связи, необходимой для области обеспечения безопасности полетов за счет оптимального подбора и распределения частотного ресурса;
• использование режима селективного вызова воздушного судна, снижающего время неэффективного занятия радиоканала;
• возможность ретрансляции сообщений “воздух-земля” через радиооператора и организации сквозного телефонного соединения между наземным корреспондентом и экипажем воздушного судна;
• сопряжение с ведомственными сетями связи и сетями связи общего пользования (телефонными и передачи данных);
• возможность поэтапного наращивания функциональных задач системы передачи данных в высокочастотном диапазоне частот (HFDL).
Общее количество радиоцентров можно значительно сократить по сравнению с существующей практикой. Ключевым элементом данной структуры являются оснащенные современными системами связи региональные центры ВЧ-радиосвязи “воздух-земля”. В функции этих центров должны входить:
• обеспечение приема заявки на передачу информации воздушному судну от наземных корреспондентов;
• определение оптимального радиоцентра и частоты для организации радиоканала с требуемым воздушным судном;
• установление радиоканала с требуемым воздушным судном;
• трансляция принятой от наземного корреспондента информации на борт воздушного судна;
• подтверждение доставки информации на борт воздушного судна наземному корреспонденту;
• постоянное прослушивание выделенных частот и прием информации от воздушного судна наземным корреспондентам;
• трансляция принятой от воздушного судна информации наземным корреспондентам;
• коммутация сквозного тракта между экипажем воздушного судна и наземным корреспондентом (диспетчером УВД).
Общее количество центров связи “воздух-земля” и приемо-передающих радиоцентров ВЧ-диапазона определяется исходя из соображений эффективности и экономической целесообразности. Предполагается размещение радиоцентров в пунктах с развитой инфраструктурой каналов связи к периферийным объектам (зональные центры ЕС ОрВД, крупные районные центры УВД), что в целом соответствует существующему местоположению главных станций общероссийской фиксированной системы радиосвязи ВЧ-диапазона и центров коммутации сообщений федеральной сети АНС ПД и ТС ГА. Это позволит избежать излишних затрат на аренду дополнительных каналов связи.
Количество и местоположение авиационных наземных станций выбирается таким образом, чтобы на всей территории ответственности УВД России вне зависимости от состояния ионосферы обеспечивалось полное покрытие связью со степенью готовности 99,2%. Для достижения заданной степени готовности необходимо обеспечить перекрытие зон покрытия трех наземных станций по зоне обслуживания радиосети. Наземные станции максимально разносятся пространственно, чтобы области ионосферного отражения трасс прохождения сигналов были удалены настолько, что при возникновении зон аномального поглощения сигнала существовала возможность организации связи по соседнему каналу. При этом учитываются территориальные особенности возникновения областей аномального поглощения:
- зимняя аномалия в средних широтах - резкие увеличения электронной концентрации в отдельные зимние дни, вызывающие значительные усиления поглощения волн. Явление зимней аномалии ограничено средними и субавроральными широтами 30-65° с максимумом частоты появления вблизи 50°. Одновременно явление развивается на ограниченной территории с горизонтальными размерами порядка 500-2000 км и длится в течение 2-6 дней. В связи с чем для увеличения вероятности выбора наиболее пригодной по условиям распространения радиолинии, требуется наличие нескольких, сдвинутых друг относительно друга по долготе, наземных радиостанций либо станций, расположенных на широтах вне интервала 30-65°;
- поглощение типа SID (внезапные ионосферные возмущения). Проявляется в увеличении ионизации главным образом в D и E областях освещенной ионосферы в периоды солнечных вспышек за счет резкого возрастания солнечного ионизирующего излучения. Так как явление проявляется в дневное время, желательно иметь радиоцентры, максимально разнесенные по долготе, например, Мурманск и Магадан;
- поглощение типа SCA. Радиоцентры должны быть смещены к югу и разнесены по долготе, чтобы радиотрассы были транс- или субавроральные. (Следует отметить, что поглощения типа SID или SCA принято считать наименее существенными для КВ радиосвязи);
- поглощение в полярной шапке. Явление довольно редкое. Наземный радиоцентр желательно смещать южнее экваториальной границы области IIIIIТТ, то есть южнее Ф'~60° северной широты. Следует отметить, что область IIIII ТТ имеет неравномерное распределение с ярко выраженным минимумом в районе Ф'~78°, то есть возможен выбор трассы, проходящей вблизи минимума;
- авроральное поглощение (АА). Наиболее частая причина нарушений КВ связи на транс- и кроссполярных трассах. Для ВС, находящихся в зоне “полярной шапки”, наиболее выгодной с точки зрения расположения относительно зоны АА (в отсутствие IIIIITT) является радиолиния, образованная с наземной станцией, расположенной в той же области (внутриполярная трасса) или в средних широтах (трансавроральная трасса). Для образования внутриполярной трассы требуются наземные станции, расположенные севернее Ф'~60° (Архангельск, Мурманск, !ет-розаводск, Тикси, !евек). Для организации трансавроральной трассы могут быть использованы наземные радиоцентры вблизи городов Москва, Екатеринбург, Новосибирск, Красноярск, Хабаровск, Комсомольск-на-Амуре, Владивосток. Для ВС, находящихся в авроральной зоне, следует выбирать радиолинии, которые образуются с наземными станциями, расположенными также в средних широтах (перечислены выше). Физические процессы, имеющие место в процессе образования зоны АА, сравнительно хорошо изучены. Пространственно-временное распределение по вероятности появления и интенсивности поглощения носит ярко выраженный неравномерный характер и выбор радиотрассы становится особенно актуальным. Кроме того, изучение явления АА показало “облачное” строение областей АА с протяженностью отдельных образований порядка 300...400 км. Исходя из этих особенностей зоны АА для увеличения вероятности выбора наиболее пригодной по условиям распространения радиолинии требуется наличие нескольких сдвинутых друг относительно друга по долготе наземных радиостанций.
Зона покрытия радиосвязью наземной станцией непостоянна и зависит от состояния ионосферы, которая в свою очередь испытывает разнообразные вариации со временем и в пространстве: суточные, сезонные, широтные, долготные, с солнечной активностью, с магнитной активностью, а также вариации ото дня ко дню и от места к месту, не связанные явным образом с определенными известными причинами. Для каждой рабочей частоты можно построить медианную зону покрытия как место точек, в которых обеспечиваются необходимые уровень сигнала, величина соотношения С/Ш и надежность связи (степень готовности). Совокупная зона покрытия наземной станции определяется как объединение зон для всех рабочих частот данной станции. Медианные границы зоны покрытия можно определить с помощью компьютерных прогнозирующих программ, например, такой как Voice of America Communications Analysis and Prediction Program (VOACAP).
Для наземных станций, оснащенных антеннами дальней и ближней связи с круговыми секторами обслуживания, зон молчания не существует, поскольку углы излучения лежат в пределах от 3° до 90°. Медианные же границы зоны покрытия при оптимальном выборе набора частот определяются окружностью радиусом 3800 км (долготные и широтные неоднородности ионосферы при определении топологии сетки наземных станций могут не учитываться).
Задача оптимального расположения наземных станций в таком случае сводится к принципу плотнейшей упаковки на плоскости, то есть плоскость при определенном количестве станций должна быть заполнена с максимальной полнотой. Для чего станции необходимо располагать в вершинах шестиугольников гексагональной структуры. !ример такой структуры приведен на рис. 3.
Рис. 3. Расположение сети наземных станций (НС)
Как видно из рис. 4, сеть из пяти наземных станций обеспечивает покрытие практически всей материковой части России с заданной степенью готовности. Но поскольку НС требуется размещать на территории РФ, то рассмотренную ранее гексагональную решетку необходимо сжать.
Рис. 4. Покрытие территории Российской Федерации ВЧ-связью
Несложно показать (рис. 5), что в этом случае зона покрытия увеличивается, но уменьшается территориальный разнос станций.
--- Граница зоны покрытия НС
• Местоположение НС
Регионы, обслуживаемые тремя и более НС
--- Исходная гексагональная сетка
Рис. 5. Иллюстрация территориального разноса наземных станций
Указанным условиям удовлетворяет выбор пяти следующих радиоцентров: на севере - Архангельск, Тикси; на юге - Астрахань, Красноярск, Хабаровск. Зона покрытия для пяти перечисленных РЦ указана на рис. 6.
Рис. 6. Размещение радиоцентров на территории Российской Федерации
При таком построении, как видно из рис. 6, покрытие с заданной степенью готовности не обеспечивается в Калининградской области, части Краснодарского края, на Чукотке, Камчатке и части Мурманского и Магаданского океанических секторов. Для устранения указанного недостатка необходимо ввести три дополнительные наземные станции в следующих районных центрах: Магадан, Норильск; а вместо Красноярска станцию установить в Новосибирске. Зона покрытия при организации сети из семи наземных станций изображена на рис. 7.
Рис. 7. Зона покрытия при использовании 7 наземных станций
Поскольку в каждой точке зоны покрытия возможна организация связи как минимум с тремя наземными станциями, то среди них две точно разнесены по долготе не менее чем на 40°, а одна расположена южнее широты 60°. Соответственно при такой организации сети в точках зоны ответственности связь устойчива к зимнему аномальному поглощению в слое D и поглощению типа SID и SCA.
При возникновении явления поглощения в полярной шапке существует возможность организации связи через наземные станции Хабаровска, Новосибирска и Астрахани (Ф<60°), а с бортами севернее 80° широты - через Тикси, Магадан, Архангельск, Норильск при выборе трассы, проходящей вблизи минимума Ф'~78.
Нарушения связи при авроральном поглощении устраняются, поскольку возможны различные варианты выбора трассы (внутриполярной и трансавроральной для ВС, находящихся в зоне полярной шапки; субавроральной - в авроральной зоне).
Таким образом, суммируя сказанное выше, можно сделать заключение, что предложенный вариант построения сети и размещения наземных станций позволит создать сеть ВЧ-связи, обладающую заданными характеристиками качества обслуживания и зоной действия.
HF DATA COMMUNICATION SYSTEM CONFIGURATION TO RUSSIAN FEDERATION AIR TRAFFIC MANAGEMENT
Maslov V.V., Runov N.Y., Solomentsev V.V.
In paper there are considered the issues of configuration of aeronautical communication and data system in HF band. It is validated the choice of number and positions of ground radio station network.
Key words: HF communication, data communication, air traffic management, ionosphere transmission.
Сведения об авторах
Маслов Владимир Владимирович, 1967 г.р., окончил МВТУ им. Баумана (1990), ведущий инженер ОАО “Азимут”, автор 4 научных работ, область научных интересов - системы адаптивной связи, цифровая обработка сигналов.
Рунов Николай Юрьевич, 1956 г.р., окончил Горьковский политехнический институт (1978), руководитель научно-технического центра ОАО “Азимут”, автор 15 научных работ, область научных интересов - связь, навигация, наблюдение, организация воздушного движения.
Соломенцев Виктор Владимирович, 1957 г.р., окончил МИЭМ (1980), академик Российской академии транспорта, доктор технических наук, профессор, заместитель генерального директора ОАО «НТЦ «Промтехаеро», заведующий кафедрой вычислительных машин, комплексов, систем и сетей МГТУ ГА, автор более 100 научных работ, область научных интересов - системы связи навигации и наблюдения, организации воздушного движения, моделирование.
