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

ВС государственной авиации, не отвечающие требованию по работе на частотных каналах с шагом 8,33 кГц, будут допускаться к выполнению полетов в указанном воздушном пространстве Европейского региона ИКАО, если возможности органов УВД, публикуемые в национальных сборниках аэронавигационной информации, и бортовое оборудование ВС позволяют вести радиосвязь в диапазоне ВЧ. Использование в Европе 8,33 кГц разделения каналов в диапазоне ОВЧ волн лишь временно облегчит решение проблемы загруженности. Долговременным решением этой проблемы, одобренным ИКАО, является использование цифровой радиосвязи, такой как связь в диапазоне ОВЧ с использованием многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA-Time Division Multiple Access).

Несмотря на это, считается, что использование 8,33 кГц разделения каналов обеспечит основную часть Европы достаточным количеством дополнительных частот для того, чтобы справиться с растущим воздушным движением. Однако цифровой TDMA будет применяться во многих регионах, в частности в США, без промежуточного внедрения 8,33 кГц разделения каналов. Таким образом, некоторые страны, включая США, изучают вопрос использования 8,33 кГц и TDMA совместимого радиооборудования.

Обмен данными с ВС предполагается осуществлять с использованием следующих мобильных подсетей ATN:

- ОВЧ - линии цифровой связи (VDL-Very High Frequency Digital Link);

- линии передачи данных режима S (Selective-Адресный);

линии передачи данных авиационной подвижной спутниковой службы (AMSS-Aeronautical Mobile Satellite Service);

ВЧ - линии передачи данных.

В настоящее время известны четыре версии VDL (режимов 1 - 4). VDL режима 1 представляет собой линию передачи данных широко распространенной системы связи для адресации и передачи сообщений ACARS(Airborne Communication Addressing and Reporting System), разработанной и введенной в эксплуатацию в конце 1970-х годов фирмой ARINC(Aeronautical Radio Incorporated) для обеспечения обмена данными между ВС и их эксплуатационными агентствами (авиакомпаниями). Особенности данной линии обусловлены использованием существующего аналогового радиооборудования ОВЧ - связи для передачи данных в байтоориентированном формате и заключаются в применении двухступенчатой модуляции с амплитудной модуляцией несущей и минимальной частотной манипуляции на поднесущей (AM-MSK-Minimal Shift Keying), а также многостанционного доступа с контролем несущей (CSMA-Carrier Selecting Multiple Access). Скорость передачи данных в VDL режима 1 составляет 2400 бит/с.режима 2 стандартизована ИКАО и предусматривает использование методов цифровой радиосвязи с набором протоколов для различных эксплуатационных прикладных процессов. Применение модема с 8-позиционной относительной фазовой модуляцией (D8PSK-Differential 8 Phase Shift Keying) обеспечивает номинальную скорость передачи данных в 31,5 22 кбит/с. Однако применение CSMA по-прежнему приводит к появлению недетерминированной задержки доведения сообщений.режима 3 строится на использовании TDMA и будет представлять собой комплексную систему цифровой речевой связи и передачи данных, улучшающую использование ОВЧ - спектра радиочастот за счет обеспечения четырех отдельных радиоканалов на одной несущей. режима 4 обобщила в себе основные преимущества предыдущих версий. Однако в отличие от VDL режима 3, в которой для обеспечения канальной синхронизации и доступа к каналу требуется наличие наземных станций, VDL режима 4 является самосинхронизирующейся4, что обеспечивает возможность ее применения и для автономной организации передачи данных между ВС. VDL версии 4 является наиболее эффективной цифровой линией передачи данных для использования в сети ATN, поддерживающей все известные приложения ОрВД:

автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания (ADS-B-Automatic Dependent Surveillance-Broadcasting);

связь между диспетчером и экипажем ВС по цифровой линии (CPDLC-Controller Pilot Digital Link Communication), управляемая пилотом;

передача на борт ВС данных полетно-информационного обслуживания (FIS-Flight Information Service), службы информации о воздушном движении (TIS-Traffic Information Service), метеоданных и другой радиовещательной информации;

ответ на частоте запроса глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS-Global Navigation Satellite System), содержащий информацию о качестве сигналов GNSS и данных, подлежащих уточнению;

система наблюдения за наземной обстановкой и управления трафиком ВС и наземных транспортных средств в аэропортах (SMGCS- Surveillance Moving Ground Control System).

В настоящее время группа экспертов ИКАО по авиационной подвижной связи завершила разработку SARPS для VDL режима 4. Проводимые в различных регионах ИКАО интенсивные испытания линий передачи данных направлены на обеспечение их применения в соответствии с требованиями ATN.

Линии передачи данных режима S предполагается использовать в первую очередь для обеспечения расширенного наблюдения, поэтому более подробно они рассмотрены ниже. Линии передачи данных режима S нашли уже применение в воздушном пространстве стран Европейской конференции гражданской авиации (ЕКГА). Последующее развитие в направлении более широкого применения зависит от сравнительного анализа со спутниковыми и ОВЧ - каналами связи по критерию стоимость / производительность.

Линии передачи данных AMSS уже находят применение в ряде регионов в ходе работ по внедрению автоматического зависимого наблюдения. Однако на начальных этапах из-за высокой стоимости спутникового оборудования, услуг связи и увеличения времени задержки передачи сообщений использование AMSS будет, по всей видимости, ограничиваться только межконтинентальными ВС, совершающими полеты в океанических РПИ и зонах с низкой интенсивностью воздушного движения, а также в зонах, где отсутствует поле связи VDL или режима S.

Как отмечалось выше, ВЧ - линии передачи данных будут сохранены для обеспечения дальней связи, особенно в полярных районах, где спутниковая связь может быть недоступна. Из мероприятий по совершенствованию ВЧ - связи отметим интернациональный проект (с участием России) по созданию распределенных по континентальной части поверхности земли сети приемо-передающих радиоцентров диапазона ВЧ, сопрягающейся с наземными подсетями ATN, направленной на обеспечение глобальной достаточно надежной адаптивной связи в диапазоне ВЧ между наземными, а также между наземными и воздушными абонентами.

1.3    Требования к FANS к передаче бортовых данных

Рассмотренные характеристики бортового оборудования перспективных ВС могут дать существенный эффект, если и наземное оборудование, обеспечивающее навигацию, наблюдение и УВД, выйдет на соответствующий, более высокий уровень.

В соответствии со стратегией определены следующие направления развития системы ОВД и мероприятия по их реализации:

повышение оперативности и качества наземного планирования всех этапов полета; оптимизация структуры маршрутов и секторов на основе технологии RNAV и введения RVSM;

модернизация системы FDPS для поддержки полетов по гибким маршрутам и оперативного изменения маршрутов;

-          оперативное управление наземным движением и пропускной способностью в воздушной зоне основных аэропортов;

-              постепенное внедрение основных аэропортовых средств управления прибытием;

-              улучшение интерфейса человек - система и рабочих мест диспетчеров; реализация системы тактического управления потоками (EFMS); внедрение методов управления информацией в масштабах всей системы ОВД: внедрение мобильной передачи данных основных аэропортов для поддержки разрешения на взлет и ATIS [5].

-              Наиболее важные вопросы реализации стратегии развития обсуждаются ниже.

Технология FANS является самым простым по структуре вариантом автоматического зависимого наблюдения и представляет собой, по сути дела, обобщение принципа вторичной радиолокации. В самом деле, классический вторичный локатор постоянно посылает запросы о бортовом номере, высоте и других параметрах. Бортовой трансивер ВС, приняв такой запрос, посылает затребованную информацию. Таким образом, вторичный локатор связан с ВС низкоскоростной цифровой линии передачи данных, организованной по принципу запрос - ответ. Теперь предположим, что передающая антенна локатора ненаправленная. В этом случае широковещательный запрос вызвал бы поток ответов от всех ВС, находящихся в зоне видимости, транслированных одновременно на одной и той же частоте. Декодировать эти ответы было бы невозможно из-за их наложения.

Поэтому такой локатор должен посылать бортам не широковещательные, а адресные запросы, чтобы не допустить наложения ответов. Именно на этом принципе базируется технология FANS [8].

При этом она не требует, что бы канал связи ВС - земля обязательно строился на основе УКВ линии передачи данных. Это может быть, например, канал цифровой спутниковой связи. Таким образом, FANS можно рассматривать как средство вторичной радиолокации с расширенным набором функций, работающее с каждым ВС индивидуально.

Рассмотрим технологию системы FANS, которая является самой разработанной в плане практической реализации. Изначально эта система создавалась для обеспечения авиакомпаний оперативной связью с принадлежащими им ВС, т.е. не для УВД. Основным элементом системы FANS является глобальная компьютерная сеть, предназначенная для сбора информации о ВС, рассылки этой информации по потребителям и трансляции сообщений с борта ВС на землю и обратно. Для связи с ВС эта система сопрягается со станциями УКВ линии передачи данных, способными работать с ВС, находящимися в зоне радиовидимости, а также со спутниковыми каналами, дальность действия которых значительно выше. С другой стороны, потребитель через шлюз соединяется с этой сетью и получает от нее ту информацию, на которую подписан. Таким образом, прямая связь потребителя через базовую станцию УКВ линии передачи данных с ВС в системе FANS не предусмотрена. Образно говоря, все контракты на получение информации и обмен сообщениями осуществляются в этой системе через посредников, каковыми являются серверы компьютерной сети FANS.Это вполне логичная структура с коммерческой точки зрения, поскольку позволяет удобно организовать тарификацию. В самом деле, весь обмен сообщениями идет через серверы, где может быть точно учтено количество информации, полученной шлюзом конкретной авиакомпании, и с этой авиакомпании взыскана соответствующая плата за пользование системой FANS.

Идея использовать систему FANS как источник информации для УВД выявила как достоинства, так и недостатки такой схемы. К несомненным достоинствам следует отнести то, что быстродействие канала связи с бортом ВС для нее не является критическим. Это дает возможность использовать для этой пели не только УКВ, но и низкоскоростные каналы, такие как KB и спутниковая связь. Эту возможность трудно переоценить при решении задачи наблюдения в океанических и малонаселенных районах, где отсутствует сеть станций УКВ линии передачи данных.

Для организации крупных центров УВД удобно также наличие глобальной компьютерной сети, в которой имеется информация о всех бортах, находящихся на сопровождении системы FANS. В результате размер зоны управления данного центра УВД не ограничивается зоной радиовидимости. Оборотной же стороной этой медали является слишком опосредованная связь диспетчера с ВС. В самом деле, для УВД, в отличие от связи авиакомпаний, превалирующим критерием является обеспечение безопасности движения, а не удобство финансовых взаиморасчетов. Поэтому в несение в канал связи диспетчер-пилот задержек, неизбежных при прохождении пакета через множество каналов и узлов глобальной компьютерной сети, представляется нежелательным, поскольку при возникновении конфликта ситуация меняется буквально по секундам, и не оперативность канала связи может стать непосредственной причиной катастрофы.

Рассмотрим предполагаемую схему оснащения центра УВД системой FANS. Как упоминалось выше, расположение центра УВД при этом никак не привязано к расположению станций связи с бортом ВС. В центре должен стоять только шлюз компьютерной сети FANS. Шлюз является мультиплексором потока сообщений между системой и центром УВД. Также он содержит средства записи и воспроизведения потока и системный менеджер - программу контроля состояния шлюза и настройки его рабочей конфигурации (рис. 3).

Рис. 3. Система FANS

На рабочем месте диспетчера УВД устанавливается специальная программа отображения воздушной обстановки. Она сопрягается со шлюзом и обеспечивает автоматизацию управления контрактами путем их автоматической установки или отмены. Цикл работы этой программы с бортом начинается, когда от ВС поступает запрос на подключение. Если ВС находится в зоне ответственности данного диспетчера, то ПО его рабочего места устанавливает контракт на получение координатной информации от данного ВС с частотой, заданной в настройках рабочего места. Когда ВС покидает зону ответственности, то контракт разрывается. При необходимости вести наблюдение за ВС, находящимся за пределами зоны управления, контракт следует установить, а по окончании наблюдения разорвать вручную. Вся получаемая по этим контрактам координатная информация отображается на дисплее рабочего места.

Кроме доставки координатной информации система FANS предоставляет услугу без голосовой связи пилот-диспетчер (CPDLC). Эта система является конечным устройством, также подключаемым к шлюзу в качестве клиента. Ее функцией является предоставление диспетчеру средств создания, передачи и приема стандартных формализованных сообщений.

Диспетчер имеет возможность просмотреть предысторию сообщений по сопровождаемым ВС, создать новое сообщение, используя стандартные формы, контролировать ответы ВС, а также устанавливать и отменять контракты на автоматическое получение той или иной информации. Дисплей CPDLC содержит окно со списком ВС, находящихся на обслуживании, ожидающих обслуживания, предыстории сообщений по определенному ВС, а также область окна для подготовки сообщения. Кроме того, дисплей содержит кнопки - функции, ассоциированные с перечнем стандартных элементарных сообщений. Диспетчер оператор CPDLC может также управлять контрактами АЗЫ и контролировать состояние линий связи.

Все формализованные сообщения сгруппированы по категориям, таким как «Набрать высоту», «Сбросить высоту», «Изменить маршрут » и др. После выбора категории выбирается конкретное сообщение. Например, категория «Назначение крейсерского эшелона» содержит следующие сообщения:

-              Следовать на эшелоне < высота >;

-              Набрать эшелон до <высота>;

-              Занять эшелон выше <высота >.

Выбрав сообщение, диспетчер вводит, если необходимо, его параметры (В вышеприведенном примере параметры указаны в угловых скобках) и отправляет сообщение.

Существует категория аварийных сообщений, которые отправляются с наивысшим приоритетом. Возможна также отправка сообщения свободного текста, не относящегося к стандартным.

Сеть системы FANS позволяет диспетчеру осуществлять обмен сообщениями не только с ВС, но и с соседними центрами УВД. Процедуры согласования, приема - передачи, управления и другие также могут производиться через интерфейс CPDLC.

В настоящее время существуют две разновидности системы FANS:

а) FANS А+ - для работы в сети ACARS, используется для работы по обмену коммерческой информацией;

б) FANS В+ - для работы в сети ATN, используется для работы по обмену информацией управления воздушным движением с помощью протокола CPDLC.

В настоящее время системы FANS А используются для полетов над океанами и территориями, не покрытыми сетью наземного оборудования, а системы FANS В - для полетов над территориями, активно попадающими в зону действия наземных станций [9].

1.4 Общие сведения о бортовом оборудовании для работы системы FANS

Рассмотрим бортовое оборудование системы FANS на примере широко используемого в настоящее время самолета.

Ядром бортовой системы является блок ATSU (Air traffic service unit - блок обслуживания воздушного движения), который получает информацию от бортовых систем, и, в соответствии с командами блоков контроля (CDU - Control display unit), через высокочастотное оборудование, передает на наземную станцию. В качестве высокочастотного оборудования используется KB или УКВ радиостанция с возможностью приема/передачи данных (VDL). Принятая от центра УВД информация отображается на дисплеях капитана и второго пилота [9].

Основными функциями блока обслуживания воздушного движения являются: