Дипломная (вкр): Разработка бортового модема для обмена данными FANS В самолетов В-757/767

Разработка бортового модема для обмена данными FANS В самолетов В-757/767

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Р. БЕРУНИ

АВИАЦИОННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА: «ЭКСПЛУАТАЦИЯ РАДИОЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И АЭРОПОРТОВ»

Направление образования: 5524600 - «Эксплуатация авиационного радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов»

Выпускная квалификационная работа

ТЕМА: "РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДЕМА ДЛЯ ОБМЕНА ДАННЫМИ FANS В САМОЛЕТОВ В-757/767"

Выполнил: Урманхужаев З.З.

Ташкент-2014г.

Оглавление

Введение

1.1 Существующая аэронавигационная система и ее основные недостатки

1.2 Будущая аэронавигационная система и мероприятия ИКАО по построению систем СNS

1.3 Требования FANS к передаче бортовых данных

1.4 Общие сведения о бортовом оборудовании для работы системы FANS

1.5 Анализ существующего варианта бортового модема, устанавливаемого на самолете

Глава II. Разработка бортового модема для обмена данными fans в самолетах В-757/767

2.1 Разработка схемы бортового модема

2.2 Разработка программного обеспечения для бортового модема

2.3 Отладка разработанной программы

Глава III. Экономическое обоснование

3.1 Расчет экономической эффективности разработки

Глава IV. Безопасность жизнедеятельности

Заключение

Список используемой литературы

Введение

В мае 1988 года комитет FANS - этап I завершил свою работу, разработав концепцию систем СNS, основанную на использовании спутников, линий передачи данных и автоматических систем. Одновременно Совету ИКАО было рекомендовано в срочном порядке создать новый комитет (FANS - этап II) для подготовки рекомендаций по контролю и координации разработки, а также планированию перехода к будущей системе на рентабельной основе с учетом интересов конкретных географических районов.

В сентябре 1991 года на десятой аэронавигационной конференции государства-члены ИКАО одобрили концепцию CNS/ATM, реализация которой позволит гражданской авиации преодолеть во всемирном масштабе известные недостатки существующей системы и воспользоваться преимуществами новейших технологий для обеспечения прогнозируемого развития авиации в XXI веке.

За годы, прошедшие после завершения работы комитетов FANS, в ряде государств и во всех регионах ИКАО было начато осуществление программ внедрения систем ОрВД, призванных повысить эффективность деятельности авиации посредством использования технологий CNS/ATM. Однако позднее было признано, что технология не является самоцелью и что необходимо создать всеобъемлющую концепцию единой и глобальной системы ОрВД, основанной на четко сформулированных эксплуатационных требованиях. Эта концепция, в свою очередь, послужит фундаментом для скоординированного внедрения технологий CNS/ATM на основе четко определенных требований. Разработку этой концепции поручили учрежденной Аэронавигационной комиссией ИКАО Группе экспертов по эксплуатационной концепции организации воздушного движения.

В сентябре-октябре 2003 г. состоялась одиннадцатая Аэронавигационная конференция, на которой был отмечен существенный прогресс во многих аспектах внедрения систем CNS/ATM и рассмотрены конкретные элементы обновленного подхода к организации воздушного движения с учетом развития технологии CNS.

В настоящее время, в связи с резким увеличением интенсивности воздушного движения, остро встала проблема его автоматизации. Для решения этой проблемы EUROCONTROL совместно с другими авторитетными организациями, контролирующими воздушное движение, принял программу развития авионики и наземной инфраструктуры управления воздушным движением CNS ATM(Communication, Navigation, Surveillance - Air traffic management - Связь, навигация и наблюдение при управлении воздушным движением) [1-3].

Одним из направлений CNS ATM является создание «Аэронавигационной системы будущего - Future Air Navigation System - FANS», которая позволяет заменить речевой обмен информацией между пилотом и диспетчером передачей данных в автоматическом режиме. Структура системы FANS и принцип ее работы описан в [4].

По этому в настоящий выпускной квалификационной работе было поставлено задача разработка бортового модема для обмена данными FANS в самолетов В-757/767.

Глава I. Основные сведения перспективы развития аэронавигационной системы и современной авионики

1.1    Существующая аэронавигационная системе и ее основные недостатки

В начале 1980-х годов ИКАО признала обостряющиеся ограничения существующих систем аэронавигации и необходимость их совершенствования для удовлетворения потребностей гражданской авиации в XXI веке. Образованный с этой целью специальный комитет1, получивший в последующем название комитета FANS (Future Air Navigation System-перспективная аэронавигационная система) - этап I, в своей работе исходил из следующих основных положений:

во всех регионах мира будет отмечаться увеличение потребности в воздушном движении и в ряде регионов, по истечению определенного времени интенсивность воздушного движения будет превышать уровень, который существующая система в состоянии обеспечить. Этот фактор совместно с мерами по защите окружающей среды будет накладывать все более жесткие ограничения на производство полетов и может привести к серьезным экономическим последствиям;

решить эту проблему путем простого расширения существующей системы не представляется возможным в силу ограниченных возможностей подсистем связи, навигации и наблюдения по дальности действия, внедрению и эксплуатации в труднодоступных районах, пропускной способности и/или точности и надежности;

практическое применение в гражданской авиации имеющихся новых средств и технологий является единственной возможностью преодолеть имеющиеся трудности и удовлетворить потребности в следующем столетии;

внедрение новых технических средств, многие из которых являются глобальными по своему характеру, будет происходить в различных регионах мира в разное время. Поэтому необходимо проводить согласованную политику и осуществлять переход к новой системе таким образом, чтобы соответствующий уровень ОрВД гарантировался во всем мировом воздушном пространстве, независимо от состояния внедрения в различных районах полетной информации (РПИ).

В процессе формирования новой концепции CNS/ATM комитет исходил из того, что новая система CNS должна обеспечивать:

связь, навигацию и наблюдение в глобальном масштабе на всех высотах полета (от самых малых до самых больших) и в любых районах (включая удаленные, прибрежные и океанические);

обмен данными по каналам цифровой связи “воздух - земля” между бортовыми и наземными комплексами в целях максимального использования преимуществ автоматизации;

навигационное обслуживание и заходы на посадку на ВПП и другие посадочные полосы, которые практически нецелесообразно оборудовать средствами для точного захода на посадку.

Краткое описание существующей аэронавигационной системы и её основных недостатков приведем применительно к области связи, навигации и наблюдения, а также обслуживания воздушного движения.

В настоящее время доминирующим видом связи “воздух - земля” между экипажем ВС и диспетчером является речевая связь. Использование приемопередатчиков в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ) обеспечивает радиосвязь непосредственно между пилотом и органом УВД в пределах прямой видимости. Для связи в РПИ вне зоны действия ОВЧ - средств используются радиостанции, работающие в диапазоне высоких частот (ВЧ). При этом связь в этом диапазоне ведется диспетчером через оператора радиобюро. Соседние органы УВД взаимодействуют между собой по арендуемым телефонным каналам (тональной частоты), благодаря чему обеспечивается прямая речевая связь между диспетчерами в процессе согласования условий полета и осуществления процедуры приемо-передачи управления. Органы УВД, другие авиационные полномочные органы и многие авиакомпании связаны между собой сетью авиационной фиксированной электросвязи (AFTN-Aeronautical Fixed Telecommunication Network), обеспечивающей передачу ориентированных на знаки сообщений (телеграмм), а в некоторых случаях - линиями общей сети обмена данными ИКАО (CIDIN-Common ICAO Data Interchange Network).

Основной недостаток существующей подсистемы связи “воздух - земля” заключается в том, что обмен информацией между ВС и органом УВД в основном ведется по каналам речевой связи без организации автоматизированного (автоматического) обмена данными между бортовым и наземным оборудованием. При этом пропускная способность таких каналов ограничена скоростью произношения речевых сообщений, языковыми особенностями каждого человека и необходимостью повторения сообщений в случае возникновения неблагоприятных условий прохождения сигнала или воздействия помех. По мере увеличения объема воздушного движения каналы речевой связи все больше перегружаются, что обуславливает необходимость выделения дополнительных каналов. По этой же причине в ходе полета по маршруту экипаж вынужден часто менять частоту настройки, что ведет к увеличению рабочей нагрузки по ведению связи.

Другие недостатки существующей подсистемы связаны с дальностью действия в диапазоне ОВЧ, ограниченной зоной прямой видимости. Устранение этого недостатка можно обеспечить путем использования территориально-распределенной сети ОВЧ - станций (наземных ретрансляторов), связанных с органом УВД арендованными каналами связи. Однако в результате этого значительно увеличиваются расходы на организацию и эксплуатацию такой сети связи. Кроме того, в ряде случаев установка наземных ретрансляторов может быть затруднена или невозможна. Связь в диапазоне ВЧ подвержена аномалиям распространения волн, помехам и затуханиям сигнала. Вследствие этих физических ограничений воздушная радиосвязь в этом диапазоне ведется с помощью специально подготовленных радиооператоров, что значительно снижает своевременность доведения сообщений.

В наземном сегменте подсистемы связи при использовании сети AFTN на конечном этапе доведения сообщений обеспечивается только низкоскоростная передача с использованием телетайпов. При этом некоторые центры коммутации сообщений по-прежнему работают в ручном режиме. Все это задерживает обмен авиационной информацией и приводит к снижению качества ОрВД.

Навигация над сушей в основном осуществляется по ненаправленным радиомаякам в рамках структуры маршрутов, охваченных зоной действия всенаправленных ОВЧ-радиомаяков (VOR-Very High Frequency Omni directional Range) и дальномерного оборудования (DME-Distance Measuring Equipment), а также станций радиотехнических систем ближней навигации (РСБН) в Европейском регионе ИКАО. Дальняя навигация обеспечивается с помощью таких систем, как OMEGA, LORAN-С, или автономных навигационных систем, таких как инерциальные навигационные системы (ИНС).

При использовании всенаправленных маяков диапазона ВЧ вследствие условий распространения волн возникают такие же помехи, как и при работе ВЧ радиосвязи. Поэтому точность навигации в этом случае и зона действия ограничены. Хотя при передаче сигналов VOR/DME и/или РСБН не возникает особых помех, тем не менее, обеспечить ближнюю навигацию во всем требуемом объеме воздушного пространства не всегда удается по причине географических или экономических ограничений, так как эти средства работают в зоне прямой видимости.

Кроме того, сам принцип самолетовождения, основанный на маркировании определенных наземных точек и привязке воздушных трасс к местоположению навигационных средств в этих точках, ограничивает возможности выбора маршрутов движения и вызывает появление чрезмерно перегруженных областей воздушного пространства.

Применение в конкретном воздушном пространстве тех или иных процедур ОВД в огромной степени зависит от методов наблюдения. Как правило, в континентальных и прибрежных районах для наблюдения применяются первичные и вторичные радиолокаторы (ВРЛ), а в океанических и удаленных районах с этой целью используются донесения, передаваемые по каналам речевой связи согласно установленным правилам.

Основной недостаток подсистемы наблюдения связан с ограниченной дальностью действия первичного и вторичного радиолокаторов и аналогичен вышеописанному для организации ОВЧ - связи с ВС.

Цель ОВД заключается в обеспечении соблюдения эксплуатантами ВС установленного графика убытия и прибытия ВС и выбора наиболее предпочтительных для них профилей полета с минимальными ограничениями при сохранении требуемого уровня безопасности полетов. Для выполнения сформулированной цели используются имеющаяся система CNS и наземные центры УВД, которые несут ответственность за управление воздушным движением и обеспечение безопасности полетов. Поэтому ограничения существующих систем ОВД находятся в прямой зависимости от недостатков элементов CNS .

1.2    Будущая аэронавигационная система и мероприятия ИКАО по построению систем СNS

Главная задача будущей CNS заключается в обеспечении выполнения основной цели перспективной концепции АТМ, заключающейся в удовлетворении потребностей пользователей в наиболее предпочтительных траекториях полета. В этой системе, основанной на идее высокоточного определения местоположения ВС и организации эффективного автоматизированного и автоматического взаимодействия бортового и наземного оборудования для обеспечения во всем мировом воздушном пространстве безопасного воздушного движения по выбранным маршрутам полетов, существующее разграничение элементов CNS будет сведено к минимуму. Тем не менее, характеристику будущей аэронавигационной системы и мероприятий ИКАО по построению систем CNS/ATM целесообразно по-прежнему давать применительно к функциям связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения.

По взглядам экспертов ИКАО при реализации концепции CNS/ATM требуемый уровень эффективности, пропускной способности и гибкости будущей системы FANS может быть достигнут только при использовании цифровых средств передачи данных. Поэтому для новой подсистемы связи будет характерна усовершенствованная передача данных и глобальная зона действия.

Хотя потребность в речевой связи сохранится, тем не менее, возможности передачи данных между всеми абонентами подвижной и фиксированной служб связи в сочетании с использованием межсетевого обмена, шлюзов или трассировщиков позволят создать однородную сеть передачи данных в условиях применения различных технических и административных решений, обеспечивающую решение большинства задач по взаимодействию. Инфраструктурой для обеспечения такого информационного обмена гражданской авиации в глобальном масштабе станет сеть авиационной электросвязи (ATN-Aeronautical Telecommunications Network), которая включает прикладные объекты и службы связи, обеспечивающие взаимодействие наземных сетей передачи данных, подсетей передачи данных “воздух-земля” и бортовых сетей передачи данных путем принятия общих интерфейсных служб и протоколов, основанных на эталонной модели взаимосвязи открытых систем Международной организации по стандартизации (ИСО). Структура сети ATN показана на рис. 1, а ее концептуальная модель - на рис. 2.

Речевая связь диапазона ОВЧ будет оставаться основным видом связи с ВС еще достаточно длительный срок. Однако использование цифровых каналов обмена данными будет расширяться и применяться для передачи большинства рутинных сообщений “воздух - земля” в зависимости от операционных требований. При этом речевая связь будет по-прежнему доступна для передачи нерутинных и аварийных сообщений.

Спутниковая речевая связь будет, по всей видимости, ограничиваться теми областями, где отсутствует поле связи диапазона ОВЧ, но она не заменит ОВЧ речевую связь до тех пор, пока не будут достигнуты существенные преимущества по соотношению производительности и стоимости. Спутниковая речевая связь может использоваться для передачи нерутинных и чрезвычайных сообщений или дублирования там, где канал передачи данных является основным средством связи.

Рис. 1. Структура сети ATN

Рис. 2. Концептуальная модель ATN.

Радиосвязь в диапазоне ВЧ по-видимому будет сохранена, в первую очередь для обеспечения связи над полярными районами, которые не охвачены действием геостационарных спутников. Более того, применение современных технических средств позволит устранить большую часть недостатков, связанных с непредсказуемым характером прохождения волн в диапазоне ВЧ.

Для преодоления дефицита ОВЧ - радиочастот в перегруженном верхнем воздушном пространстве Европы ИКАО приняло решение об обязательном наличии на борту ВС радиооборудования, способного работать в диапазоне ОВЧ на частотных каналах с шагом сетки частот 8,33 кГц, при выполнении полетов в воздушном пространстве Австрии, Бельгии, Германии, Люксембурга, Нидерландов, Швейцарии и Великобритании с эшелона выше 8000 м, а также с эшелона выше 5700 м в воздушном пространстве Франции.