CC BY
85
УДК 621.396.932.1
Вестник СибГАУ Том 17, № 2. С. 388-392
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ МОНИТОРИНГА ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ПОСРЕДСТВОМ КОМПЛЕКСНОЙ СИСТЕМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
А. В. Кацура, А. Р. Акзигитов*, А. С. Андронов, Д. Е. Строков, Р. А. Акзигитов
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
*E-mail: aakzigitov88@mail.ru
Переход к более глобальным системам аэронавигации обусловлен ограничениями, накладываемыми наземными средствами определения местоположения. Причиной перехода стала ограниченность в территориальном применении наземных средств и возникающие ошибки при определении координат объекта из-за многократного отражения радиоволн. Создание спутниковых навигационных систем GPS и ГЛОНАСС стало следствием попыток сделать единое радионавигационное поле, доступное на всей площади земного шара. Подобную задачу решить наземными комплексами затруднительно, так как затраты на размещение и обслуживание будут недопустимо высокими.
Системы ГЛОНАСС и GPS имеют минимальную ошибку определения местоположения на территории РФ только при совместном использовании. Для гражданских нужд у спутников GPS выделен канал, в котором ошибка определения координат намеренно увеличена. В системе ГЛОНАСС неточность обусловлена естественными источниками ошибок, однако степень покрытия затрудняет использование сигналов только этих спутников.
Была поставлена задача при минимальных изменениях в бортовой аппаратуре воздушного судна повысить эффективность его мониторинга с земли. Предлагается использовать группировку низкоорбитальных спутников Iridium для передачи данных о местоположении воздушного судна на диспетчерский пункт, расположенный на земле. Передача данных возможна как с использованием GSM-связи через наземные станции, так и с помощью межспутниковых линий связи. Спутники связи Iridium имеют полный охват земной поверхности, что делает возможным проводить мониторинг воздушных судов в труднодоступных районах. В РФ таковыми являются приполярные районы. Авторами работы разработана схема мониторинга, в которой на борту размещается устройство терминальное программируемое типа УТП, принимающее сигналы спутников навигации и через спутники связи передающее данные о местоположении объекта в диспетчерский пункт. На диспетчерском пункте ведется анализ полученных координат и построение траектории полёта объекта.
Ключевые слова: ГЛОНАСС, GPS, мониторинг, межспутниковая связь, Iridium.
Sibirskii Gosudarstvennyi Aerokosmicheskii Universitet imeni Akademika M. F. Reshetneva. Vestnik Vol. 17, No. 2, P. 388-392
INCREASE OF EFFICIENCY OF AIRCRAFT MONITORING BY MEANS OF APPLYING INTEGRATED DETECTION SYSTEM
A. V. Katsura, A. R. Akzigitov*, A. S. Andronov, D. E. Strokov, R. A. Akzigitov
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation *E-mail: aakzigitov88@mail.ru
Transition to more global systems of air navigation is caused by the restrictions imposed by ground facilities of location determination. Limitation in territorial application of ground facilities and appearing errors at determination of coordinates of object because of repeated reflection of radio waves became the reason of transition. Creation of navigation satellite systems GPS and GLONASS has turned out to be consequence of attempts to make the global radio navigational field available on all square of the globe. To solve a similar task with applying land complexes is difficult as the costs of placement and service will become inadmissible high.
GLONASS and GPS systems have the minimum error of determination of location in the territory of the Russian Federation only when cooperate using. For civil needs at GPS satellites the channel has been allocated in which the error of determination of coordinates is intentionally increased. In GLONASS system inaccuracy is caused by natural sources of errors; however the degree of a covering complicates use signals only of these satellites.
The task at the minimum changes in the onboard equipment of the aircraft to increase efficiency of its monitoring from the earth was set. The authors offer to use the group of low-orbital Iridium satellites for data transmission about location of the aircraft on the control office located on the earth. Data transmission is possible with the use of GSM communication through land stations, and by means of inter-satellite communication lines. The communication satellites Iridium have full coverage of a terrestrial surface that makes possible to carry out monitoring of aircrafts in remote areas. In the Russian Federation those are subpolar areas. The authors of the paper developed the scheme of monitoring in which the terminal programmed device the UTP type is placed onboard, accepting signals of satellites of navigation and via communication satellites transferring data on location of object to control office. Control office provides the analysis of the received coordinates and creation of a trajectory offlight of object.
Keywords: GLONASS, GPS, monitoring, inter-satellite communication, Iridium.
Введение. Согласно концепции CNS/ATM [1; 2], существующие средства аэронавигации должны быть постепенно замещены глобальными системами. Причиной перехода от наземных средств обеспечения аэронавигации преимущественно стало увеличение количества воздушных судов, одновременно совершающих перелеты. Существующие наземные маяки типа DME и VOR имеют ограниченный радиус действия, помимо этого маяки VOR в своём диапазоне частот 108-112 МГц имеют только 160 каналов [3]. В настоящее время глобальными являются спутниковые навигационные системы GPS и ГЛОНАСС.
Проблемой определения местоположения объекта с помощью системы ГЛОНАСС является дискретность радионавигационного поля на высотах выше 2000 км [4-6]. Для наиболее точного определения местоположения системы ГЛОНАСС и GPS стремятся использовать совместно.
Для гражданского использования у системы GPS выделен псевдослучайный C/A-код для определения координат объекта [7]. Главным источником ошибок у C/A-кода является преднамеренное снижение точности определения координат режимом селективного доступа [8; 9]. Вторым источником по величине ошибок является ионосфера. Исходя из публикации [8], ошибка определения псевдодальности у C/A-кода составляет 24 м, ионосферная - 7 м.
Для повышения эффективности мониторинга объекта необходимо разработать концепцию, подразумевающую получение, обработку и хранение навигационных данных объекта. Главным условием является непрерывность доступа к данным в любой точке пространства. Для реализации приведённой концепции пригодны системы низкоорбитальной спутниковой связи. Система Iridium, являющаяся низкоорбитальной, имеет полный охват земной поверхности, при этом в зону обслуживания попадает 180 км воздушного пространства [10], что позволяет обслуживать воздушные суда, совершающие полёт, преимущественно в тропопаузе. Предложенная концепция подразумевает одновременное использование спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS для определения координат воздушного судна и спутниковую систему связи Iridium для отправки данных о местоположении на диспетчерский пункт.
Предлагаемый способ повышения эффективности. Комплексная система обнаружения объектов включает в себя:
- блок приема сигналов местоположения GPS/ГЛОНАСС;
- блок передачи данных GSM Iridium;
- сервер мониторинга, включающий в себя систему управления базой данных и специализированное программное обеспечение;
- модуль спутниковой связи (спутниковый модем).
На рис. 1 изображена организация связи между
бортом воздушного судна и наземным диспетчерским пунктом. Навигационный радиосигнал, принимаемый бортовой авиационной антенной 2.1, поступает в блок приемопередатчика, в котором также возможна реализация опции голосовой связи 2.2, так как одним из видов связи через спутники Iridium является речевая. Через бортовой связующий процессор 2.3 данные поступают в бортовую систему 2.4. для решения задач самолётовождения.
Передача данных местоположения осуществляется также через бортовую авиационную антенну. Спутники Iridium 2.5 способны вести приём и передачу сообщений, в том числе сообщений с навигационной информацией, самостоятельно определять местоположение объекта, используя метод POCA (Point of closest approach) [11]. Данные, поступающие со спутника на терминал 1, оперативно обрабатываются на сервере. Одной из конфигураций диспетчерского пункта может быть совмещение сервера и клиентского ПК. Ключевой особенностью предложенной для использования системы спутниковой связи стала организация связи между абонентами. В отличие от аналогичной системы Globalstar, связь между абонентами организована через межспутниковые линии передачи данных без промежуточных шлюзовых станций [10]. В случае доступа к наземным станциям возможна передача сигнала в режиме GSM без спутникового канала с целью сокращения расходов на спутниковый трафик [13].
Модель сообщения. Информационное сообщение можно представить в виде дискретной случайной последовательности [12] (рис. 2). Для дискретного источника с памятью модель задаётся вероятностями
„(Jr) x(r2) J'N P\xj +1> xj+2> •••> xj+N I _
= P (jl)p (-*7+2 I Xy+l) ...p (^'HN I ^"лД, ..., xy-Hl).
Вероятности определяются для всех последовательностей x длины N и для всех моментов времени j. Ошибки в системах с дискретной передачей сообщения определены вероятностью приёма символа, отличного от отправленного передатчиком. Очевидно, что вероятность ошибки определяется как Рош = 1 - Pp. В то же время вероятность ошибки является количественной характеристикой помехоустойчивости.
Рис. 1. Схема связи «земля-борт» посредством спутников Iridium
Рис. 2. Дискретный сигнал
Реализация системы. На борту воздушного судна предлагается разместить абонентский терминал типа УТП (рис. 3). Для питания необходимо задействовать бортовую сеть 27 В. Устройство способно принимать GSM- и GPS/ГЛОНАСС-сигналы. Разъем 3 позволяет подключить УТП к бортовой системе. Таким образом, станет возможным передавать данные о положении реле и контакторов. Авторами предлагается использовать акселерометры с целью отправки экстренных
сообщений на диспетчерский пункт в случае критических перегрузок. Погрешность составляет ±15 м (доверительная вероятность - 0,95) при скорости от 0 до 1200 км/ч [14].
Передача данных осуществляется в форматах SMS, GSM DATA, CSD и GPRS. Для функционирования УТП в режиме GSM необходима установка SIM-карты. Конкретная модель УТП для использования -УТП-М-01-3.304.0.
Рис. 3. Устройство терминальное программируемое: структурная схема
Кжтяглр*« ф Саг
Ни*,™, КЙфгдавИ 14?.™ | rtr. ТДОи* П i т У FilSi L-,r;v ' I'Г" ::4
Twup toe
и Ш Маркин
Г 1 щ Имм
■i ^ к
т гиь*
Щ ьмр
mi вда
J .ft Дг.гьт! не
в JG Л
« ii J ГЦц^щ
liSM ыодупк
ЛфНЪ
I hi ^[ino
ыгтг
DATA Гадк.
РЪМЦЕ Ш
Основной Дуб.'ъ^йшА Ebrtp&to
О □
□
П>—>мЕ
Рис. 4. Настройка параметров GSM
Для установления связи воздушного судна и диспетчерского пункта необходимо задействовать программное обеспечение, способное:
- осуществлять контроль местоположения нескольких объектов одновременно;
- хранить в базе данных информацию о траектории и состоянии контактных и параметрических датчиков;
- осуществлять тестирование всего комплекса, включая устройства на объектах мониторинга.
Программное обеспечение «Навигатор-С» [15] удовлетворяет всем вышеперечисленным требованиям, предъявляемым к комплексу мониторинга. Для начала работы необходимо добавить объект в базу данных, установив его конфигурацию. Связь с терминалом осуществляется двумя способами - GSM и GPRS (рис. 4). Таким образом, чтобы задействовать оба вида связи, требуется задать номер абонента (терминала) и IP-адрес.
Заключение. Предложенная схема совместного применения системы спутниковой связи Iridium и систем спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS соответствует концепции CNS/ATM. Оригинальность системы обнаружения состоит в непрерывной связи между объектом и диспетчерским центром. Таким
образом, диспетчерский центр может оперативно реагировать на отклонения траектории объекта либо срабатывание акселерометров при критических перегрузках.
Библиографические ссылки
1. Казаков В. Системы СКБ/АТМ. Ульяновск : УВАУГА, 2008. 103 с.
2. Бочкарев В. В., Крыжановский Г. А., Сухих Н. Н. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта. М. : Транспорт, 1999. 319 с.
3. Кучерявый А. Бортовые информационные системы. Ульяновск : УлГТУ, 2004. 504 с.
4. Соловьёв Ю. Спутниковая навигация и её приложения. М. : Эко-Трендз, 2003. 326 с.
5. Харисов В. Н., Перов А. И., Болдин В. А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М. : ИПРЖР, 1998. 400 с.
6. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М. : КНИЦ ВКС, 2008. 74 с.
7. Соловьев Ю. Системы спутниковой навигации. М. : Эко-Трендз, 2000. 260 с.
8. Lachapelle G. Navigation Accuracy for Absolute Positioning, AGARD Lecture Series 207, System Implications and Innovative Applications of Satellite Navigation. NATO, 1996. Pp. 4.1-4.10.
9. Интерфейсный контрольный документ GPS [Электронный ресурс]. URL: http://www.gps.gov/ technical/icwg/ICD-GPS-200C.pdf (дата обращения: 24.10.2015).
10. Невдяев Л., Смирнов А. Персональная спутниковая связь. М. : Эко-Трендз, 1998. 216 с.
11. Time of Closest Approach in Three-Dimensional Airspace [Электронный ресурс]. URL: http://shemesh. larc.nasa.gov/people/cam/publications/NASA-TM-2010-216857.pdf (дата обращения: 24.10.2015).
12. Радиотехнические системы передачи информации / В. А. Борисов [и др.] М. : Радио и связь, 1990. 304 с.
13. Тарифы на услуги связи Iridium на территории Российской Федерации [Электронный ресурс]. URL: http://iridium-russian.ru/Podkluchenie.html (дата обращения: 26.10.2015).
14. Устройство терминальное программируемое УТП-М-01-8.004. Техническое описание. Орел : ЗАО НТЦ «Навигатор Технолоджи», 2008. 68 с.
15. Автоматизированная система мониторинга объектов «Навигатор-С». Руководство пользователя. Орел : ЗАО НТЦ «Навигатор Технолоджи», 2006. 75 с.
References
1. Kazakov V. A. Sistemy CNS/ATM [CNS/ATM system]. Ul'yanovsk, UVAU GA Publ., 2008, 103 p.
2. Bochkarev V. V., Kryzhanovskiy G. A., Sukhikh N. N. Avtomatizirovannoe upravlenie dvizheniem aviatsionnogo transporta. [Automated control of air traffic]. Moscow, Transport Publ., 1999, 319 p.
3. Kucheryavyy A. A. Bortovye informatsionnye sistemy. [On-boar information systems]. Ul'yanovsk, UlGTU Publ., 2004, 504 p.
4. Solov'ev Yu. Sputnikovaya navigatsiya i ee prilozheniya. [Satellite navigation and its application]. Moscow, Eko-Trendz Publ., 2003, 326 p.
5. Kharisov V. N., Perov A. I., Boldin V. A. Global'naya sputnikovaya radionavigatsionnaya sistema GLONASS. [Global satellite radionavigation system GLONASS]. Moscow, IPRZhR Publ., 1998, 400 p.
6. Global'naya navigatsionnaya sputnikovaya sistema GLONASS. Interfeysnyy kontrol'nyy dokument. [Global navigation satellite system GLONASS. Interface and control document]. Moscow, KNITs VKS Publ., 2008, 74 p.
7. Solov'ev Yu. A. Sistemy sputnikovoy navigatsii. [Systems of satellite navigation]. Moscow, Eko-Trendz Publ., 2000, 260 p.
8. Lachapelle G. Navigation Accuracy for Absolute Positioning, AGARD Lecture Series 207, System Implications and Innovative Applications of Satellite Navigation, NATO, 1996, P. 4.1-4.10.
9. Interfeysnyy kontrol'nyy dokument GPS. [Interface and control document of GPS]. Available at: http://www. gps.gov/technical/icwg/ICD-GPS-200C.pdf (accessed 24.10.2015).
10. Nevdyaev L. M., Smirnov A. A. Personal'naya sputnikovaya svyaz'. [Personal satellite communication]. Moscow, Eko-Trendz Publ., 1998, 216 p.
11. Time of Closest Approach in Three-Dimensional Airspace. Available at: http://shemesh.larc.nasa.gov/ people/cam/publications/NASA-TM-2010-216857.pdf (accessed 24.10.2015).
12. Borisov V. A., Kalmykov V. V., Koval'chuk Ya. M. Radiotekhnicheskie sistemy peredachi informatsii. [Radio transmission systems of information]. Moscow, Radio i svyaz' Publ., 1990, 304 p.
13. Tarify na uslugi svyazi Iridium na territorii Rossiyskoy Federatsii. [Communication service Iridium rates on the Russian Federation territory]. Available at: http://iridium-russian.ru/Podkluchenie.html (accessed 26.10.2015).
14. Ustroystvo terminal'noe programmiruemoe UTP-M-01-8.004. Tekhnicheskoe opisanie. [Terminal and programmable device UTP-M-01-8.004. Technical description]. Orel, ZAO NTTs "Navigator Tekhnolodzhi" Publ., 2008, 68 p.
15. Avtomatizirovannaya sistema monitoringa ob''ektov "Navigator-S". Rukovodstvo pol'zovatelya. [The automated system of monitoring of objects "Navigator-S". Manual]. Orel, ZAO NTTs "Navigator Tekhnolodzhi" Publ., 2006, 75 p.
© Кацура А. В., Акзигитов A. P., Андронов A. C., Строков Д. E., Акзигитов P. А., 2016
