CC BY
491
ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АВИАЦИИ НА БАЗЕ ОВЧ ЛПД РЕЖИМА 4
Клёсова Юлия Викторовна,
аспирант каф. МТС МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Татарчук Иван Александрович,
аспирант каф. МТС МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Создание интеллектуальных телекоммуникационных систем контроля и управления движением транспортных средств является перспективной тематикой для исследований. Разработка систем, призванных повысить безопасность движения и ситуационной осведомленности систем управления воздушным движением, с помощью средств авионики является актуальной современной задачей.
Одной из концепций, представляющей подобные системы, является концепция автоматического зависимого наблюдения радиовещательного (ADS-B). В свою очередь, развитие радиосвязи позволило создать цифровые линии передачи данных (ЛПД) для эффективного осуществления обмена полетной информацией. Авиационная ОВЧ ЛПД Режима 4 (VDL Mode 4) является системой, входящей в реализацию ADS-B в Российской Федерации, осуществляемой в соответствии с Программой "Внедрение средств вещательного автоматического зависимого наблюдения (2011-2020 годы)", утвержденной Минтрансом России 19 мая 2011 г. Функционал ОВЧ ЛПД Режима 4 имеет ряд преимуществ по сравнению с другой системой 1090ES, которая позволяет осуществлять эффективную передачу данных "борт-борт" и "борт-земля". Данное преимущество может быть использовано для создания самоорганизующейся сети между участниками движения оборудованными транспондерами ОВЧ ЛПД Режима 4. В качестве приложений для самоорганизующейся сети на данный момент рассматриваются: многинтервальная передача данных ADS-B, мультилатерация и передача голосовых сообщений. В качестве дополнения к радарному наблюдению и ADS-B ИКАО было принято для использования мультилатерационное наблюдение. Мультилатерация (разностно-дальномерный метод) - метод определения координат подвижного объекта (ПО) с использованием пассивной радиолокации. Особенности ОВЧ ЛПД Режима 4 позволяют организовать мультилатерационное наблюдение, используя возможности самоорганизующейся мобильной сети.
В авиации стандартизованы правила ведения переговоров: команды и указания, передаваемые по радиоканалу, должны претерпевать минимум искажений и потерь, количество и длительность слов в сеансе радиосвязи должны быть минимальны, обеспечивая при этом высокую информативность. Известно, что голосовая связь осуществляется через аналоговый радиоканал, в котором используется амплитудная модуляция (АМ). На данном этапе развития авиационных систем пока нет возможности полного перехода на средства автоматического контроля, ведения и наблюдения воздушных судов (ВС) без вмешательства "человеческого фактора". Одним из перспективных вариантов реализации речевой коммуникации (РК) является "распознавание-синтез".
Для цитирования:
Клёсова Ю.В., Татарчук И.А., Кулаков М.С. Перспективные технологии в авиации на базе ОВЧ ЛПД Режима 4 // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №8. - С. 63-67.
For citation:
Klesova J.V., Tatarchuk I.A., Kulakov M.S. Perspective technologies in aviation base on VDL Mode 4. T-Comm. 2015. Vol 9. No.8, pp. 63-67. (in Russian).
Кулаков Михаил Сергеевич,
аспирант каф. МТС МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Ключевые слова: управление воздушным движением, самоорганизующиеся сети, речевая коммуникация, распознавание речи, авиационная электросвязь, мультилатерация.
В связи с постоянным ростом числа летательных аппаратов (ЛА) [1], что также связано с активным использованием беспилотных летательных аппаратов (БПЛА), в дополнение к традиционным средствам контроля и управления воздушным движением приходят новые технологии, такие как радиовещательное автоматическое зависимое наблюдение, широко представленное двумя видами систем: 1090ES (extended squitter) [2] и VDL (Very High Frequency Data Link). VDL, иначе ОВЧ ЛПД, имеющая несколько редакций, из которых последняя - Режим 4 [3].
ОВЧ ЛПД Режима 4 является системой, входящей в реализацию ADS-B в Российской Федерации, осуществляемой в соответствии с Программой «Внедрение средств вещательного автоматического зависимого наблюдения (2011-2020 гг.)», утвержденной Минтрансом России 19 мая 2011 г.
ОВЧ ЛПД Режима 4 является цифровой УКВ системой передачи данных, которая обеспечивает цифровую связь между мобильными станциями (ЛА и автомобилями в аэропорте) и между мобильными станциями и стационарными наземными станциями. Наиболее важным свойством VDL Mode 4 является его способность эффективного обмена краткими сообщениями и его способность поддерживать критические по времени прикладные задачи.
Главной характеристикой VDL Mode 4 является то, что доступное время передачи делится на большое число временных слотов, синхронизированных на основе универсального координированного времени UTC. Каждый слот может быть использован транспондером (установленным на борту ЛА, на автомобиле или на стационарной наземной станции) для передачи данных. Точная синхронизация слотов и запланированное их использование для передачи известны всем пользователям, находящимся в зоне видимости друг от друга, что делает эффективным использование канала передачи данных, при этом пользователи не ведут передач одновременно. В результате такого "самоорганизуемого" протокола выбора слотов для ОВЧ ЛПД Режима 4 не требуется никакой наземной инфраструктуры, а потому система может обеспечивать связь и другие функции, как в режиме "борт-борт", так и режиме "земля-борт". Это так называемый самоорганизующийся многостанционный доступ с временным разделением канала (self-organized time division multiple access - STDMA), который является детерминированным методом многостанционного доступа к среде без конкуренции, В STDMA канальное время делится на кадры и временные слоты, длительность которых определяется реализацией системы. Каждый узел, имеющий соответствующее радиооборудование и используя определенный алгоритм, имеет возможность самому выбрать слот, в котором он будет вести передачу. STDMA Режима 4 отличается от «классического», функционирование которого характеризуется 4мя фазами: «инициализация», «вход в сеть», «первый кадр» и «продолжительное функционирование», что по сути отражает лишь периодический
широковещательный протокол Режима 4. Кроме указанного способа, STDMA Режима 4 поддерживает множество иных способов резервирования слотов, включая поблочное резервирование, а также несколько способов входа в сеть, причем один участник сети может резервировать слоты для того, кто только пытается получить доступ к каналу. Выбор того или иного способа резервирования слотов зависит от реализуемого приложения.
ОВЧ ЛПД Режима 4 функционирует в авиационном диапазоне частот, то есть на частотах 108-136.975 МГц. Свойство избирательности, позволяющее станции выбирать наиболее мощный сигнал из двух накладывающихся друг на друга сигналов, обеспечивает эффективное повторное использование временных слотов. Физический уровень использует гауссовскую частотную манипуляцию GFSK и обеспечивает скорость передачи 19.2 кбит/с.
Для эффективного внедрения систем автоматического зависимого наблюдения вещательного, работающих на базе авиационной ОВЧ ЛПД Режима 4, требуется создание компьютерной модели, которая наиболее полно отражает структурные особенности и функционал этой ЛПД. Полученная компьютерная модель будет являться базовым фундаментом для разработки новых авиационных приложений для Режима 4.
Одним из будущих приложений является многоинтервальная передача данных ADS-B. Данное приложение призвано решить проблему ситуационной осведомленности органов управления воздушным движением (УВД) в отдаленных и океанических регионах. Функция многоинтервальной передачи данных ADS-B будет обеспечиваться протоколом маршрутизации мобильных самоорганизующихся сетей [4]. Мобильные ad hoc сети (mobile ad hoc networks - MANET) являются разновидностью самоорганизующихся сетей передачи данных, с переменной топологией и не имеющих постоянной структуры и предназначенные для связи между подвижными объектами. Таким образом, в такой сети каждое устройство может двигаться независимо, в любом направлении и, соответственно, будет менять соединения с другими узлами достаточно часто. При этом каждый узел должен ретранслировать трафик в независимости от собственного назначения. Вопрос о перспективности данного подхода был поднят на 12ой аэронавигационной конференции ИКАО[5].
Создание надстройки реализующей функционал самоорганизующейся сети не потребует кардинальных изменений в системе ОВЧ ЛПД Режима 4. В рассматриваемой сети логической адресации не требуется, поэтому планируется, что самоорганизующаяся сеть будет оверлейной, т.е. построенной над канальным уровнем и будет использовать сетевые адреса второго уровня. В данном случае этими адресами являются уникальные бортовые идентификаторы ИКАО. Таким образом, механизмы самоорганизующейся сети будут заложены в три подуровня структурно-функциональной схемы ОВЧ ЛПД Режима 4: VSS, DLS и LME. Пример сценария развертки самоорганизующейся сети в Североатлантическом коридоре показан на рис. 1.
дани Ирландиис
С«н-Пь*я
Рис. 1. Возможный сценарий развертки самоорганизующейся сети в Североатлантическом коридоре
Xi
Кодер Кодер
што'плгки какала
П^редитчик
Декодер —-> Декодер
КЯНЯЛЯ IN То*llflIK<1
приемник
PESQ
Рис. 2. Схема программного комплекса компьютерного моделирования канала приемо-передачи речевой информации
С целью тестирования эффективности разрабатываемых протоколов для приложений самоорганизующейся сети ведется создание компьютерной модели в среде моделирования с дискретными событиями 0М1\1еТ++[6], ориентированной на отражение основных особенностей структурно-функциональной модели ОВЧ ЛПД Режима 4.
Всемирная практика такова, что голосовые данные передаются при помощи классической АМ. Ее несомненным достоинством является узнаваемость. Однако техника и технологии постоянно развиваются, открывая новые возможности в области цифровой обработки сигналов (ЦОС).
Попытки интеграции речевой информации и передачи данных предпринимались еще в конце 1990-х гг. при реализации ОВЧ ЛПД режима 3. Для речевой связи был выбран вокодер на основе алгоритма АМВЕ со скоростью 4,8 кбит/с [7]. Но тогда эксперимент оказался неудачным из-за жалоб пилотов ВС на «металлический» характер звучания голоса. Это является хорошим примером того/ когда одной разборчивости речи недостаточно для комфортных условий работы. Необходимы еще естественность и узнаваемость речи. Результатом стало то, что всемирное авиационное сообщество теперь очень настороженно относится к идеям замены аналоговых методов передачи речи на цифровые. Поэтому актуальной становится реализация «не взамен», а «в дополнение» - организация канала цифровой передачи речевых данных как альтернативы существующему аналоговому. Так же ставится задача улучшения АМ, используя преимущества сети (передача через другие ЛА для ретрансляции голосового сообщения).
Учитывая ограничения, накладываемые авиационным стандартом, не все алгоритмы кодирования будут удовлетворять критерию битовой скорости. В частности, кодеры формы сигнала со скоростями 64-32 кбит/с. Поэтому исследовать предлагается алгоритмы параметрического кодирования, имеющие скорости 16-1,2 кбит/с [8]. В качестве компьютерной модели была разработана схема, представленная на рис. 2
В предложенной схеме входной сигнал представляет собой оцифрованный в соответствии с законом линейной 16-битной ИКМ. В блоке Кодер источника сигнал подвергается сжатию по выбранному алгоритму кодирования. Далее - избыточное (помехоустойчивое) кодирование. Блок Генератор ошибок позволяет воспроизводить частичную потерю речевой информации. На приеме осуществляются обратные преобразования. Итоговая оценка качества речи вычисляется при помощи психоакустического метода PESQ (perceptual evaluation of speech quality) [9]. На вход блока PESQ поступает сигнал, прошедший через все этапы преобразования и исходный сигнал, Схема универсальна и позволяет исследовать разные типы кодеков.
Поскольку авиационный словарь является ограниченным, перспективы передачи по каналу оцифрованной речи простираются много дальше - становится возможна реализация распознавания и синтеза речи. Суть метода заключается в следующем: речь, озвученная пилотом/диспетчером, распознается в виде текста и передается по каналу диспетчеру УВД/пилоту. На приемном конце, на мониторе, диспетчер УВД/пилот видит текст и слышит синтезированный голос пилота/диспетчера УВД.
Дублирование речевой информации в виде текста на экране может быть полезно а зашумленной обстановке, при сбоях голосовой линии связи, так как исключает необходимость диспетчера/пилота переспрашивать и уточнять команды и указания.
Разумеется, определяющим фактором при выборе цифрового представления речевого сигнала и методов его цифровой обработки, является специфика решаемой задачи. В рамках авиационного радиообмена по каналам «земля-борт» и «борт-земля» ключевыми являются требования экономии временного ресурса и надежности. В зависимости от предъявляемых требований к системе передачи, в том числе учитывая порог допустимых искажений сигнала и временную задержку на обработку данных, осуществляется выбор соответствующих методов [10].
Согласно нормативным документам [11] АОБ-В может служить источником данных наблюдения в целях обеспечения организации воздушного движения таким же образом как первичный радиолокатор. Точность передаваемых данных о положении ВС по каналам АОБ-В, в отличие от точности определения положения радиолокатором, является динамичной величиной. Мультилате-рационное наблюдение является решением которое позволяет обеспечить наблюдение ВС в районах повышенной плотности воздушного движения, в которых затруднено использование радиолокаторов. Типовая система мультилатерации состоит из четырех наземных стационарных пунктов (СП). Геометрическое место точек положения ВС вычисляется по четырем расстояниям от ВС до каждого из СП. Расстояния определяются по времени распространения сигнала от ВС до СП.
В общем случае в системах мультилатерации используются специальные сигнальные конструкции. Однако по причине отсутствия свободных частот в авиационном диапазоне системы мультилатерации используют сигналы систем АОБ-В, под которые в отдельных странах уже выделены частоты. В частности, в существующих системах используются сигналы АРБ-В стандарта ЮЭОЕЭ.Такие системы состоят из четырех и более СП, оснащенных приемниками 1090Е5. В стандарте ЮЭОЕБ не регламентированы системы временной синхронизации, поэтому СП дополнительно оснащаются каналами синхронизации. Наиболее распространенное решение - синхронизация по спутниковому каналу.
Мультилатерация позволяет определять координаты относительно СП и самому ПО, но это затруднено тем, что, для определения собственных координат по сигналам СП требуется одновременной измерение нескольких времён прихода, что требует увеличения числа каналов приема и, соответственно, полосы частот отводимой под навигационную задачу.
Таким образом, Существующие системы мультила-терационного наблюдения на основе 1090Е5 обеспечивают ситуационную осведомленность исключительно для наземных служб организации воздушного движения.
В качестве альтернативы предлагается система мультилатерации на основе стандарта ADS-B VDL Mode 4. В методе многостанционного доступа STDMA время вещания каждой станции привязано к международному времени UTC. Метку начала секунды UTC транспондер VDL Mode 4 получает по каналу спутниковой навигации, наличие которого так же регламентировано стандартом [3].
Особенности VDL Mode 4 позволяют организовать измерение расстояний между любыми двумя участниками воздушного движения следующим образом:
1. Каждый участник воздушного движения (ВС или наземная станция) раз секунду излучает вектор состояния и идентификационный индекс в строго определенный момент времени, согласно стандарту.
2. Каждый участник воздушного движения принимает сигналы от других участников, и вычисляет время прихода сигнала относительно момента номинального времени излучения, согласно стандарту.
3. Участники воздушного движения сообщают данные об измеренных временах прихода, и определяют местоположение друг друга.
Для организации работы системы мультилатерации необходимо:
- устройство измерения времени прихода сигнала в транспондере;
- протоколы обмена данными об измерениях между участниками измерения, минимизирующие задержку в определении координат лоцируемого ВС;
Преимущества предложенной системы мультилатерации заключаются в следующем:
- система мультилатерации имеет как статическую геометрию положения измерительных станций, так и мобильную, что будет способствовать повышению точности измерения высоты;
- за счет обмена данными об измеренных временах прихода, положение ВС может быть определено не только теми участниками движения, что решают задачу локации, но и самим ВС, что обеспечит ситуационную осведомленность в случает отказа бортового источника навигации;
- система мультилатерации на основе VDL Mode 4 работает авиационном диапазоне, и имеет большую зону устойчивого радиоприема, и не подвергается действию помех от работы активных радаров на частоте 1090 МГц.
Перспективные технологии в авиации, построенные на базе ОВЧ ЛПД Режима 4, такие как: многоинтервальная передача данных ADS-B, мультилатерация и передача голосовых сообщений, в будущем позволят решать круг проблем, назревший в системах контроля и управления воздушным движением.
Литература
1. АвиаПорт.Ru - авиация и бизнес. Новостной ресурс. URL: http://www.aviaport.ru/digest/2007/08/22/126752.htm! (дата обращения: 10.03.15).
2. Technical Provisions for Mode S Services and Extended Squitter - ICAO Doc 9871 AN/460, Second Edition, 2012. - 352 p.
3. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4 - ICAO Doc 9816 AN/448, First Edition, 2004. - 406 p.
4. Кулаков M.C. Анализ сценариев развертки мобильных Ad Нос сетей на базе режима VDL Mode 4 // INTERMATIC -2013 / Материалы международной научно-практической конференции. Часть 4. - М.: МИРЭА, 2013. - С. 49-53.
5. Двенадцатая аэронавигационная конференция -ИКАО Doc 10007 AN-Conf/12, Монреаль, 2012, 596 с.
6. Varga A. "The ONMeT++ discrete event simulation system," in Proceeding of European Simulation Multiconference, 2001.
7. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 3 - ICAO Doc 9805, First Edition, 2002.
8. Рихтер С.Г. Цифровое радиовещание. - M.: Горячая линия-Телеком, 2008, - 352 с.
9. Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs - P.862 Amendment 2 ITU-T, 2005. - 14 p.
10. Клесова Ю.В. Состояние вопроса no речевой коммуникации в авиационных системах связи // INTERMATIC -2014. / Материалы международной научно-практической конференции. Часть 5, - М.: МИРЭА, 2014. - С. 202-205.
11. Циркуляр ИКАО 326-AN/188.
PERSPECTIVE TECHNOLOGIES IN AVIATION BASE ON VDL MODE 4
Klesova J.V., postgraduate student of the department of Multichannel Telecommunication Systems MTUCI, Moscow, Russia,
Tatarchuk I.A., postgraduate student of the department of Multichannel Telecommunication Systems MTUCI, Moscow, Russia,
Kulakov M.S., postgraduate student of the department of Multichannel Telecommunication Systems MTUCI, Moscow, Russia,
Abstract
Creation of intelligent communication systems of traffic control of various vehicles is a promising topic for research and development. Now, all over the world there are researches of systems to improve safety and situational awareness of air traffic control, with the help of modern avionics. One of such system is automatical depended surveillance broadcast (ADS-B). In turn, the evolution of digital radio systems allowed to create a digital data link (DL) for effective implementation of the exchange of flight information. Airborne VHF data link Mode 4 (VDL Mode 4) is a system, which are part of the implementation of ADS-B in the Russian Federation in accordance with the Program "Introduction of Automatic Dependent Surveillance Broadcast (2011-2020)", approved by the Ministry of Transport of Russia in May 19, 2011. For the effective implementation of ADS-B, working on the basis of the airborne VHF data link Mode 4, there is a need to create a computer model that reflects the structural features and functionality of the DL. Also, the computer model will be the platform for the development of custom applications implemented on the basis of VHF data link Mode 4, such as multi-hop communications for flight information using algorithms of mobile self-organizing networks, multilateration and voice messaging. In addition to the radar surveillance and ADS-B ICAO adopted for use multilateration surveillance. Multilateration (rangedif-ference method) - the method of determining the coordinates of a moving object (PO) using passive radar. Features of VHF data link Mode 4 allows to organize multilateration surveillance, using a self-organizing capabilities of the mobile network. The rules of negotiation in aviation are standardized. Commands and instructions should not have losses and distortions in transmission by radio. Voice communication is performed via analog radio by AM. But the main trend in the development of speech information transfer systems - is the use of digital transmission techniques.
Keywords: air traffic control, self-organized networks, speech communication, amplitude modulation, voice coder systems, multilateration. References
1. AviaPort.Ru - aviation and business. News. URL: http://www.aviaport.ru/digest/2007/08/22/126752.html (date of treatment: 10.03.15).
2. Technical Provisions for Mode S Services and Extended Squitter - ICAO Doc 9871 AN/460, Second Edition, 2012. 352 p.
3. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 4 - ICAO Doc 9816 AN/448, First Edition, 2004. 406 p.
4. Kulakov M.S. Analysis of implementation scenarios of mobile Ad Hoc networks on basis of VDL Mode 4 / INTERMATIC - 2013. Proceedings of the international scientific-practical conference. Part 4. MIREA, 2013, pp. 49-53.
5. 12 aeronavigational conference - ICAO Doc 10007 AN-Conf/12, Monreal, 2012, 596 p.
6. A. Varga, "The ONMeT++ discrete event simulation system." in Proceeding of European Simulation Multiconference, 2001.
7. Manual on VHF Digital Link (VDL) Mode 3 - ICAO Doc 9805, First Edition, 2002.
8. Rihter S.G. Digital audio broadcasting, Moscow, 2008. 352 p.
9. Perceptual evaluation of speech quality (PESQ): An objective method for end-to-end speech quality assessment of narrow-band telephone networks and speech codecs - P.862 Amendment 2 ITU-T, 2005. 14 p.
10. Klesova J.V. Status of the issue on speech communication in aviation communication systems / INTERMATIC - 2014. Part 5, Moscow, 202-205 pp.
11. Cir ICAO 326-AN/188.
