Методы определения потребности в связных ресурсах и их перераспределени я при управлении во з душным движением переменной интенсивности

На правах рукописи

СПИРИН АЛЕКСЕЙ СЕРГЕЕВИЧ

методы ОПРЕДЕЛЕНИЯ потребности в связных

ресурсах и их перераспределения при управлении

воздушным движением переменной интенсивности

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

МОСКВА - 2011

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Рубцов Виталий Дмитриевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук

Зайцев Алексей Николаевич

кандидат технических наук, профессор

Сенявский Александр Леонидович

Ведущая организация: Государственный научно-

исследовательский институт

авиационных систем (ГосНИИАС)

Защита состоится « 24 » марта 2011 г. В 14-30 часов на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу:

125993, г. Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке

МГТУ ГА.

Автореферат разослан «____» _______________ 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук, профессор С.В.Кузнецов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Одним из основных средств радиотехнического обеспечения полетов воздушных судов (ВС) являются авиационные системы связи (АСС). При этом воздушная авиационная связь обеспечивает взаимодействие экипажей ВС и диспетчерского состава служб движения систем управления воздушным движением (УВД), а наземная авиационная связь - взаимодействие диспетчерских пунктов систем УВД и управление производственной деятельностью других служб гражданской авиации (ГА).

Роль АСС существенно возрастает при переходе на перспективную технологию УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), рассматриваемым в рамках принятой ИКАО концепции реализации функций связи, навигации и наблюдения при УВД (CNS/ATM) в качестве перспективного средства реализации функции наблюдения, осуществляемого при традиционной технологии УВД средствами радиолокации. При этом в качестве перспективного средства реализации функции навигации рассматривается аппаратура потребителей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), высокоточная навигационная информация от которой в автоматическом режиме передается по каналам связи в центр УВД.

Роль АСС возрастает также в связи с имеющей место тенденцией расширения функций СРНС, первоначально предназначенных для обеспечения трассовой навигации, в частности использования их для обеспечения посадки ВС, предполагающего создание функционального дополнения СРНС в виде дифференциальной подсистемы (ДПС) для передачи корректирующей информации от контрольно-корректирующей станции (ККС) к АП СРНС по каналам АСС.

Интегрирование ГА РФ в международную ГА делает актуальной разработку новых подходов к построению АСС в рамках принятой ИКАО концепции создания глобальной коммуникационной сети (ATN), предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли. При этом наряду с использованием средств связи метрового (МВ) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов и вторичной радиолокации (ВРЛ) предполагается широкое использование спутниковых систем связи (ССС), обеспечивающих большую рабочую зону и возможность оперативного перераспределения связных ресурсов.

С учетом высоких требований к достоверности и оперативности передачи при УВД и в ДПС СРНС информации, непосредственно влияющей на безопасность полетов ВС и подверженной «старению», необходимы анализ факторов, влияющих на помехоустойчивость используемых средств связи по отношению к комплексу воздействующих на них радиопомех и на задержку передаваемых сообщений, и разработка методов, ослабляющих это влияние.

Поскольку интенсивность радиообмена (ИР) при УВД и соответственно потребность в связных ресурсах зависят от интенсивности воздушного движения (ИВД), изменяющейся случайным образом, необходима разработка методик, позволяющих рассчитывать объемы связных ресурсов, необходимые и достаточные для обслуживания воздушного движения в зоне УВД с гарантированной вероятностью, и оперативно перераспределять их между зонами УВД с учетом реальной потребности в них, что технически возможно при использовании ССС. При этом с учетом высокой стоимости аренды каналов ССС необходима выработка рекомендаций по выбору дисциплин обслуживания, обеспечивающих минимум необходимых каналов при приемлемых характеристиках достоверности и оперативности передачи сообщений с различными приоритетами.

Рассмотрению указанного круга вопросов посвящена настоящая диссертация, что определяет актуальность проводимых в ней исследований.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов определения потребности в связных ресурсах и их перераспределения при управлении воздушным движением переменной интенсивности и повышение эффективности использования авиационных систем связи путем совершенствования алгоритмов обработки информации и дисциплин обслуживания.

Для достижения поставленной цели необходимо решение задач:

1. Анализ эксплуатационных возможностей использования традиционных и спутниковых систем связи при УВД и передаче корректирующей информации в ДПС СРНС, рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети ATN и анализ ограничений, накладываемых на допустимую задержку передачи сообщений при УВД с АЗН.

2. Разработка модели связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД, методики расчета вероятностных характеристик информационных потоков с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД и алгоритма перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в зонах УВД.

3. Выработка рекомендаций по выбору дисциплины обслуживания при УВД с использованием ССС, обеспечивающей минимум числа необходимых рабочих каналов для передачи сообщений с различными приоритетами.
4. Разработка алгоритмов обработки информации в приемной радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) МВ и ДКМВ систем связи, используемых при УВД и для передачи корректирующей информации в ДПС СРНС, адаптированной к характеристикам комплекса помех, характерных для МВ и ДКМВ диапазонов.
5. Разработка способа улучшения динамических характеристик системы синхронизации каналов передачи данных в системах УВД с АЗН и корректирующей информации в ДПС СРНС.

Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории вероятностей, теории случайных процессов и методы математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней проведен системный анализ путей повышения эффективности авиационных систем связи при УВД и разработаны методы определения потребности в связных ресурсах и их перераспределения при УВД переменной интенсивности, базирующиеся на использовании вероятностных характеристик интенсивности радиообмена в зоне УВД и корреляционной связи интенсивности воздушного движения (ВД) в различных зонах.

В работе получены следующие основные научные результаты:

1. Проведен сравнительный анализ эксплуатационных возможностей традиционных и спутниковых систем связи при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС с учетом требований, вытекающих из концепции ИКАО по реализации функций связи, навигации и наблюдения при УВД (CNS/ATM), рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети (АТN), предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли, и особенностей функционирования авиационных систем связи (АСС) в высоких широтах.
2. Предложена модель связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД и получены расчетные соотношения для определения зависимости вероятностных характеристик интенсивности радиообмена от параметров транспортного потока в зоне УВД.
3. Предложен алгоритм перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в различных зонах УВД.
4. Выработаны рекомендации по минимизации числа каналов, необходимых для передачи сообщений при УВД с использованием ССС; проведен сравнительный анализ эффективности различных методов повышения достоверности передачи данных с использованием ССС при УВД в ДПС СРНС.
5. Проведен анализ факторов, определяющих задержку сообщений, передаваемых по каналам АСС при УВД и в дифференциальных подсистемах (ДПС) СРНС, дана оценка влияния задержки при передаче навигационных данных на точность местоопределения маневрирующего ВС при УВД с АЗН и предложен способ улучшения динамических характеристик системы синхронизации канала передачи данных.
6. Предложены алгоритмы обработки информации в МВ и ДКМВ системах связи, используемых при УВД и в ДПС СРНС, адаптированные к характеристикам как аддитивных помех типа атмосферных и индустриальных и узкополосных помех от мешающих радиотехнических средств, так и мультипликативных помех, а также алгоритм моделирования приближенной к реальной помеховой обстановке при полунатурных испытаниях приемной РЭА МВ и ДКМВ систем связи.

На защиту выносятся:

1. Результаты теоретического анализа основных факторов, влияющих на достоверность и оперативность передачи по традиционным и спутниковым каналам связи данных при УВД, включая УВД с АЗН, и корректирующей информации в СРНС при работе в дифференциальном режиме.
2. Модель связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД, методика расчета вероятностных характеристик информационных потоков с учетом изменений интенсивности воздушного движения в зоне УВД.
3. Алгоритм перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в различных зонах УВД и рекомендации по выбору дисциплины обслуживания воздушного движения с использованием ССС, обеспечивающей минимум необходимого числа каналов.
4. Квазиоптимальные алгоритмы обработки информации в приемной РЭА систем связи, используемых при УВД и для передачи корректирующей информации в ДПС СРНС, адаптированные к характеристикам комплекса помех, имеющего место при ее эксплуатации; алгоритм моделирования этих помех при полунатурных испытаниях РЭА; результаты теоретического анализа и математического моделирования влияния помех различного вида на эффективность оптимизации обработки и алгоритм оптимизации по быстродействию системы синхронизации связной приемной РЭА.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

• выбирать объем связных ресурсов, необходимых для обслуживания воздушного движения с гарантированной вероятностью в условиях изменяющейся интенсивности воздушного движения в зоне УВД путем использования полученных в работе вероятностных характеристик интенсивности радиообмена;
• оперативно перераспределять связные ресурсы ССС между зонами УВД в зависимости от потребности в них путем использования корреляционной связи между интенсивностями воздушного движения в различных зонах УВД;
• повысить достоверность и оперативность передачи данных по традиционным каналам связи МВ и ДКМВ диапазонов и спутниковым каналам при УВД и в СРНС при работе в дифференциальном режиме за счет совершенствования алгоритмов обработки информации в приемной РЭА;
• повысить точность отображения воздушной обстановки у диспетчера при УВД с АЗН за счет повышения точности навигационных определений на ВС и уменьшения задержки при передаче навигационных данных по каналам связи в центр УВД.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в ОАО «Московское конструкторское бюро «Компас»», в ОАО «НПО «Лианозовский электромеханический завод» (Управление проектирования ЕС ОрВД и аэродромных комплексов) и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 35-летию МГТУ ГА (Москва, МГТУ ГА, 2006 г.); на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 – летию гражданской авиации России (Москва, МГТУ ГА, 2008 г., 2 доклада), и на научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона САКС-2004 (Красноярск, 2004 г.).

Публикации результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 4-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованных источников.

Диссертация содержит 150 страниц текста, 40 рисунков, 25 таблиц и библиографию из 110 наименований.

Содержание работы

В первой главе рассмотрены критерии эффективности использования АСС; рекомендации ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети ATN, предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли; эксплуатационные возможности использования традиционных систем связи МВ и ДКМВ диапазонов и ССС при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС при ее работе в дифференциальном режиме; особенности функционирования АСС в высоких широтах и ограничения, накладываемые на допустимую задержку передачи сообщений при УВД с АЗН.

Поскольку традиционные системы связи МВ и ДКМВ диапазонов волн являются системами низкого уровня, закрепленными за отдельными пользователями, при выборе критериев эффективности их использования необходимо учитывать критерии эффективности систем высокого уровня. Арендованные же спутниковые связные ресурсы, выступая в качестве системы низкого уровня, сами принадлежат системе высокого уровня – ССС.

Системой верхнего уровня по отношению к АСС является транспортная система. Критерий высокого уровня может быть сформулирован в виде максимума эффективности АСС, определяемой как отношение вероятности выполнения поставленной задачи к затратам, обеспечивающим функционирование системы при выполнении ограничений, накладываемых транспортной системой, в частности требований безопасности полетов.

К критериям среднего уровня относятся критерии, касающиеся качества функционирования АСС: вероятность непревышения допустимого времени передачи, минимум коэффициента ошибок при дискретной передаче информации, максимум коэффициента разборчивости при радиотелефонной связи и надежность функционирования. Возможно также введение частных критериев: максимум коэффициента занятости каналов связи и минимум удельной стоимости передачи информации.

Наибольший практический интерес представляют критерии среднего уровня и частные критерии эффективности функционирования АСС, на которые и будем ориентироваться при последующем рассмотрении.

Анализ развития систем связи, навигации и наблюдения в зависимости от типа воздушного пространства (ВП) показал, что АЗН обязательно будет применяться в ВП, где наземные средства обеспечения полетов отсутствуют или имеются в небольшом количестве, например при трансокеанических полетах ВС. Оно может быть введено также в труднодоступных районах континентального ВП, где сложно эксплуатировать наземные системы.

Внедрение АЗН ориентировано, в основном, на использование спутниковой технологии как в навигационном, так и в связном сегментах системы. Вместе с тем, в обозримой перспективе предполагается наряду с ССС использование и традиционных МВ и ДКМВ систем связи. При этом на потребность в радиообмене «Земля – ВС – Земля» оказывает влияние обеспеченность воздушных трасс средствами навигации и наблюдения, в частности радиотехническими системами ближней навигации (РСБН), отдельными приводными радиостанциями (ОПРС) и радиолокационными станциями (РЛС). В зависимости от сочетания наличных и отсутствующих (отмечены надстрочной чертой) средств возможны следующие ситуации: а) РСБН, ОПРС, РЛС; б) , ОПРС, РЛС; в) РСБН, , РЛС; г) РСБН, ОПРС, ; д) , , РЛС; е) РСБН, , ; ж) , ОПРС, ; з) , , .

Если интенсивность радиообмена, соответствующую ситуации «а», принять за единицу, то потребное увеличение интенсивности радиообмена можно описать следующими коэффициентами:

Ка = Кб = Кв = 1; Кг = 1,65; Кд = 1,1; Ке = 1,85; Кж = 1,78; Кз = 2,0.

Как видим, потребность в радиообмене в зависимости от степени обеспеченности трасс средствами навигации и наблюдения может изменяться в 2 раза.

Как отмечалось, интегрирование ГА РФ в международную ГА делает актуальным включение отечественных средств авиационной связи в глобальную коммутационную сеть ATN. Рекомендации ИКАО по маршрутизации сообщений в ATN достаточно детально регламентируют порядок предоставления ресурсов при передаче данных по каналам связи.

При этом применяется «зональный» принцип использования систем связи для обеспечения полетов ВС, базирующийся на концепции объединения как традиционных, так и спутниковых связных ресурсов, и учете особенностей ВП данной зоны с целью рационального их использования.

Другим принципом, согласно рекомендациям ИКАО, является принцип их приоритетного использования, обеспечиваемый иерархической системой приоритетов и использованием специальных кодов, обеспечивающих дифференциальный подход к защите сетей передачи данных от внутренних и внешних повреждений и готовности к предоставлению услуги в зависимости от значимости передаваемой информации для обеспечения безопасности полетов ВС.

Вместе с тем, рекомендации ИКАО не касаются путей реализации принципа гарантированной достаточности связных ресурсов. Этот принцип может быть реализован путем адаптивного управления связными ресурсами с учетом динамики изменений загруженности каналов связи сети вследствие изменений интенсивности воздушного движения в зонах УВД.

Эксплуатационные возможности МВ и ДКМВ систем связи при их использовании для целей УВД и передачи корректирующей информации в СРНС зависят от уровня атмосферных и индустриальных помех, являющихся преобладающими в указанных диапазонах. Особенностью этих помех, относящихся к квазиимпульсным, является наличие в них наряду с нормальной фоновой компонентой преобладающей импульсной компоненты, огибающая которой хорошо описывается логарифмически нормальной моделью Е(t) = Аеп(t), где А – некий коэффициент, n(t) – нормальный случайный процесс.

Степень импульсности квазиимпульсных помех принято характеризовать параметром импульсности .

При этом доля мощности c фоновой компоненты помехи в полной ее мощности связана с параметром импульсности помехи соотношением:

c = (1)

Учет негауссова характера индустриальных и атмосферных помех при проектировании и испытаниях средств связи МВ и ДКМВ диапазонов важен, в первую очередь, с точки зрения обеспечения максимальной достоверности передачи навигационных данных при УВД с АЗН и корректирующей информации в ДПС СРНС. Стандартные методики оценки помехоустойчивости РЭА ориентированы на нормальное распределение помех.

Поскольку на МВ и ДКМВ связь влияют мешающие радиотехнические средства и, кроме того, возможен фединг сигнала, вызванный в МВ диапазоне многолучевостью распространения радиоволн, а в ДКМВ диапазоне - авроральными возмущениями ионосферы в высоких широтах, комплекс помех, по отношению к которому производится оптимизация обработки сигнала в РЭА, должен включать в себя узкополосные и мультипликативные помехи.

Согласно рекомендациям Комитета по будущим аэронавигационным системам FANS ССС должны применяться при полетах ВС в океанических районах, отдаленных континентальных районах с небольшим количеством наземных средств или при их отсутствии и при полетах на малых высотах, то есть, когда традиционные средства связи отсутствуют либо требуют больших затрат.

Наибольшее влияние на ССС оказывают интермодуляционные помехи, обусловленные нелинейностью ретранслятора, что требует оценки эффективности различных методов их подавления. Переход на спутниковую технологию в связном сегменте системы УВД позволяет существенно расширить ее возможности по обеспечению полетов ВС. Так, земная станция (ЗС) ССС ИНМАРСАТ со стандартным набором каналов передачи данных со скоростью 600-1200 бит/с может обеспечить воздушное движение 250 ВС.

Хотя ССС ИНМАРСАТ в настоящее время и не рекомендована для использования в гражданской авиации, однако по ней имеется наиболее полная информация, и анализ ее функциональных возможностей дает представление о перспективах использования для решения задач УВД ССС такого класса, в частности отечественной системы «Космическая связь», имеющей характеристики, близкие к характеристикам системы ИНМАРСАТ.

Для навигационного обеспечения полетов в высоких широтах используются все виды связи – от длинноволнового (ДВ) и средневолнового (СВ) до МВ диапазонов волн, а также ССС: МВ диапазон волн используется для ближней связи; ДКМВ диапазон и ССС – для дальней связи; СВ и ДВ диапазоны – для связи с ВС, оборудованными радиостанциями этих диапазонов волн.

На участках маршрутов ВС, пролегающих в высоких широтах, из-за суровых климатических условий, затрудняющих обслуживание ретрансляторов, а также из-за отсутствия инфраструктуры наземных каналов связи разрывы поля МВ связи достигают значительных величин.

ДКМВ - связь на выделенных одной дневной и одной ночной частотах в этих регионах неустойчива из-за так называемых авроральных возмущений ионосферы. Проблема обеспечения непрерывности связи может быть решена путем реализации адаптивного режима выбора рабочих частот между дневной и ночной частотами с учетом гелиогеомагнитной обстановки, контролируемой специальными пунктами наблюдения.

Возможности ДВ и СВ связи, несмотря на относительно благоприятные условия распространения ДВ и СВ радиоволн в высоких широтах, не могут быть реализованы в полной мере из-за отсутствия мощных авиационных наземных передатчиков. Используемые в высоких широтах приводные радиостанции ДВ и СВ диапазонов требуют модернизации. Для работы в этих диапазонах волн на отечественных ВС, осуществляющих полеты в высоких широтах, устанавливаются радиостанции типа «Широта - У». На зарубежных ВС радиостанции ДВ и СВ диапазонов отсутствуют.

Низкоорбитальная ССС ГЛОБАЛСТАР и высокоорбитальная ССС ИНМАРСАТ в полной мере не решают проблемы надежной связи в высоких широтах, так как надежная связь ССС ИНМАРСАТ и ССС «Космическая связь» обеспечивается лишь до 820 с. ш., а системой ГЛОБАЛСТАР – до 720 с. ш.

Таким образом, наиболее перспективны с точки зрения обеспечения надежной связи в высоких широтах средства ДКМВ связи при условии проведения организационно - технических мероприятий, обеспечивающих адаптивный режим выбора рабочих частот. При этом приемная аппаратура должна быть адаптирована к работе в условиях федингующего сигнала. Для обеспечения радиосвязи в режиме передачи данных, необходимого при переходе на перспективную технологию УВД с АЗН, требуется доработка бортовой аппаратуры МВ, ДКМВ, СВ и ДВ – диапазонов: «Ядро», «Микрон», «Арлекин», «Орлан», «Баклан» и «Широта - У», заключающаяся во введении в ее состав блоков передачи данных.

При УВД с АЗН информация о координатах ВС в дискретные моменты времени передается в центр УВД, где путем экстраполяции восстанавливается траектория движения ВС, что может служить источником дополнительной погрешности при отображении этой информации у диспетчера. При равномерном прямолинейном движении ВС в отсутствие возмущений ошибка экстраполяции может быть устранена. Однако в реальных условиях ВС может осуществлять управляемый маневр и подвергаться воздействию атмосферных возмущений. Возникающая при этом динамическая ошибка будет максимальна, если ВС сразу после передачи сообщения АЗН осуществляет максимально допустимый маневр при наиболее неблагоприятном атмосферном воздействии.

При движении ВС ГА по трассе единственным допустимым маневром, не считая смены воздушного эшелона, является горизонтальный вираж, осуществляемый вводом ВС в движение по окружности путем изменения угла крена (см. рис. 1). Максимальная интенсивность виража определяется минимальным радиусом разворота R0, определяемым, в свою очередь, максимально допустимым углом крена и истинной воздушной

скоростью ВС Vи. Наиболее неблагоприятным воздействием с точки зрения влияния на боковое отклонение (БО) ВС от линии заданного пути (ЛЗП) является ветер, направленный по нормали к линии экстраполяции, совпадающей с направлением движения ВС до начала разворота, и имеющий наибольшую скорость Umax.

Максимальная величина БО ВС от линии экстраполяции за время экстраполяции определяется выражением (2), а результирующая ошибка определения местоположения ВС при АЗН – выражением (3). При этом время экстраполяции t слагается из периода обновления информации при АЗН T и задержки (4) при передаче сообщения АЗН. Эти выражения записываются:

хд (t)= R0[cos 0 - cos (0 + Vи t /R0)] + Umax t , (2)

хАЗН = хи + хд (t), (3)

з = р + ап + ан + с (4)

На рис. 2 показана зависимость динамической ошибки от t при различном сочетании влияющих на нее факторов. Скорость ВС при расчетах ошибки принята равной 250 км/час. Кривая 1 соответствует равномерному прямолинейному движению ВС при скорости бокового ветра 50 м/с; кривые 2а, 2в и 2с – маневру при отсутствии бокового ветра и отклонения линии движения ВС от линии экстраполяции в момент передачи предыдущего сообщения 0 и при кренах 3°, 15° и 30°, соответственно; кривая 3 – маневру при отклонении линии движения ВС от линии экстраполяции 12°, крене 30° и отсутствии бокового ветра; кривые 4а и 4в – маневру при скорости бокового ветра 50 м/с, крене 30° и отклонении линии движения ВС от линии экстраполяции 12° и 90°, соответственно.

Из проведенного анализа видно, что динамическая ошибка возрастает с увеличением времени экстраполяции и, при использовании на ВС высокоточного средства навигации, например СРНС типа GPS или ГЛОНАСС, может во много раз превышать ошибку измерения.

Для уменьшения динамической ошибки необходимо уменьшение периода обновления информации при АЗН и уменьшение задержки при передаче сообщений АЗН.

Во второй главе рассмотрены методы повышения эффективности использования традиционных систем связи МВ и ДКМВ диапазонов и ССС при УВД и в ДПС СРНС путем определения потребности в связных ресурсах и их перераспределения с учетом вероятностных характеристик информационных потоков при УВД и корреляционной связи интенсивности воздушного движения (ИВД) в пределах зоны УВД и в различных зонах, а также путем совершенствования обработки информации в каналах передачи данных и дисциплины обслуживания воздушного движения.

Интенсивность радиообмена (ИР) Y при УВД связана с ИВД Х функциональной зависимостью, нелинейный характер которой обусловлен конечной пропускной способностью каналов связи и ограниченными психофизическими возможностями диспетчера службы УВД. Функциональную зависимость типа «ограничение сверху» хорошо описывает математическая модель вида

Y(Х) = Yт [1 - ехр (Х / Хт) ], (5)

где Yт - максимально возможная ИР каналов связи, обслуживающих зону УВД; Хт = Yт ср / q - соответствующая Yт ИВД в отсутствие перегрузки каналов;
q - объем передаваемой информации при обслуживании одного ВС в зоне УВД;
ср - среднее время пребывания ВС в зоне.

Модель (5) может быть упрощена путем перехода от Y и Х к параметрам, определяемым как отношение среднего резерва ИР к фактическому у = (Yт - Y0) / (Yт - Y) и отношение отклонения фактической ИВД от ее среднего значения к максимальной ИВД х = (Х - Х0) / Хт = (Х - Х0) q / Yтср. При этом у и х связаны зависимостями: у = ех, х = ln у и в предположении о нормальном распределении ИВД и соответственно параметра х флуктуации параметра y, характеризующего ИР, описываются логарифмически нормальной моделью, позволяющей получить практически полное вероятностное описание процесса у(t).

Показано, что корреляционная функция процесса х(t) имеет вид:

, (6)

где - среднеквадратическое отклонение (СКО) процесса х(t), связанное с СКО процесса Х (t) х соотношением = (q / ср Yт) х; Х0 - среднее значение ИВД.

В рамках модели получены следующие вероятностные характеристики: распределение вероятностей превышения процессом у(t) некоего уровня у0
Р(у у0); средняя частота (у0) пересечений процессом у(t) уровня у0; средние длительности выбросов тв(у0) процесса у(t) над уровнем у0 и интервалов между ними ти(у0); плотности вероятностей длительностей выбросов в процесса у(t) над уровнем у0 (Wв(в, у0)) и интервалов между ними и (Wи(и, у0)) и соответствующие выраженные в процентах вероятности превышения длительностями в и и некоего уровня к0 (пв,%; пи,%), где 0 - шаг дискретизации указанных длительностей; среднее число максимумов процесса у(t), превышающих уровень у0 (ттах(у0)) и максимумов любой величины (т(Х0)); плотность вероятностей Wтах(у) и интегральная функция распределения Ртах(у) максимумов процесса у(t), а также плотность вероятностей W(ут) и интегральная функция распределения Р(ут) абсолютных максимумов ут процесса у(t) на интервале времени Т.

Полученные вероятностные характеристики позволяют осуществлять следующие мероприятия: Р(у у0) - определять вероятность нехватки расчетных значений связных ресурсов для обеспечения бесперебойной связи при УВД; тВ и пВ - обосновывать нормы загрузки диспетчеров УВД; ти и пи - повышать эффективность работы средств связи путем использования их в периоды малой интенсивности для обслуживания пользователей, не участвующих непосредственно в УВД; ттах, Ртах и Р(ут) - обосновывать потребности в связных ресурсах при УВД, обеспечивающих бесперебойную связь с заданной вероятностью.

Показано, что оптимизация приемного тракта РЭА систем связи МВ и ДКМВ диапазонов по отношению к атмосферным и индустриальным помехам, заключающаяся во включении на входе линейного приемника нелинейного элемента с характеристикой f() = - d ln W()/d, где W() - плотность вероятностей помехи, приводит к увеличению эквивалентного отношения сигнал/помеха и, соответственно, уменьшению дисперсии оценки параметров сигнала, определяемому выражением

(7)

Поскольку значение параметра Vd при входной полосе приемника 4 кГц, как следует из приводимых в литературе экспериментальных данных, находится для индустриальной помехи в пределах 3 - 8 дБ, а для атмосферной - в пределах 8 - 18 дБ, выигрыш за счет оптимизации обработки весьма существенен.

Рассмотренный приемник по структуре близок к обладающей непараметрическими свойствами схеме ШОУ, включающей в себя предельный ограничитель и узкополосный линейный фильтр. Эта схема применяется в системах передачи данных, использующих фазоманипулированные (ФМ) сигналы. При этом замена оптимального нелинейного элемента предельным ограничителем уменьшает эквивалентное отношение сигнал/помеха всего на 1,04 дБ.

Показано, что при работе в условиях фединга сигнала, то есть при сигнале вида s(t)= (t) A(t) cos {0 t - [(t) + (t)]}, где (t) и (t) - случайные, в общем случае зависимые, помехи, модулирующие амплитуду A(t) и фазу (t) сигнала, схема ШОУ сохраняет свои непараметрические свойства и по отношению к мультипликативной помехе. При этом ее наличие приводит лишь к смещению и некоторому изменению дисперсии оценки фазы сигнала:

, (8)

, (9)
где , ,,
- огибающая смеси, qi = Ai/ - отношение сигнал/помеха, n - объем выборки.

На РЭА, работающую в МВ и ДКМВ диапазонах, наряду с атмосферной и индустриальной помехами, имеющими квазиимпульсный характер, воздействуют узкополосные помехи от мешающих радиотехнических средств. При этом задача подавления указанных помех накладывает на приемный тракт противоречивые требования. Так, для подавления квазиимпульсных помех используется ограничитель, что при действии узкополосных помех приводит к ухудшению помехоустойчивости приемника из-за обогащения спектра помехи. Для подавления узкополосной помехи используется режекторный фильтр. Однако при совместном действии узкополосной и квазиимпульсной помех в результате режекции части спектра последней появляются осцилляции после окончания импульсов помехи, снижающие эффективность нелинейной обработки смеси.

Предложена компенсационная схема обработки сигнала в условиях совместного воздействия на приемник квазиимпульсных и узкополосных помех, позволяющая уменьшить относительную амплитуду паразитных осцилляций, связанных с наличием режектора, в (2/3)(f /fс) раза, где f и fс<<f - соответственно входная полоса приемника и полоса режекции.

Как отмечалось, на ССС наибольшее влияние оказывают интермодуляционные помехи, обусловленные нелинейностью ретранслятора. Показано, что наиболее эффективным методом уменьшения их влияния является сверточное кодирование, обеспечивающее увеличение отношения сигнал/шум на 6 – 7 дБ.

Возможна различная организация фонда каналов ССС. В системах массового обслуживания (СМО), к которым относится ССС, возможны следующие варианты. В системе 1-го типа весь фонд разбивается на 3 группы: 1-ю для обслуживания приоритетных, 2-ю – неприоритетных и 3-ю – любых требований. Последняя группа используется при занятости всех каналов одной из двух остальных групп. В системе 2-го типа все требования обслуживаются полнодоступной группой до полного занятия ее каналов, после чего приоритетные требования обслуживаются оставшейся группой каналов, а неприоритетные получают отказ, либо ставятся в очередь на дообслуживание. Если требования высокого приоритета могут прерывать обслуживание требований низкого приоритета при отсутствии каналов для их обслуживания, дисциплина обслуживания называется дисциплиной с абсолютным приоритетом.

На рис. 3а и 3б приведены полученные методом математического моделирования применительно к характеристикам ССС ИНМАРСАТ зависимости числа каналов N систем 1-го и 2-го типов от числа ВС M в зоне обслуживания при различных дисциплинах обслуживания и вероятностях отказов от обслуживания Ротк неприоритетных требований в системах без абсолютного приоритета (индекс 1) и с ним (индекс 2). При этом сообщения с приоритетами с 0-го по 10-ый отнесены к неприоритетным, а с 11-го по 15-ый к приоритетным.

Из приведенных зависимостей видно, что система 1-го типа требует меньшего числа каналов по сравнению с системой 2-го типа при всех дисциплинах обслуживания. При этом

система с абсолютным приоритетом и потерями неприоритетных требований обеспечивает существенный выигрыш по сравнению с системой, не использующей абсолютный приоритет.

Использование ССС при УВД делает технически возможным с целью повышения эффективности использования связных ресурсов осуществлять их перераспределение между зонами УВД с учетом прогнозируемой интенсивности радиообмена (ИР), зависящей от интенсивности воздушного движения (ИВД).

Разработан алгоритм управления связными ресурсами, реализуемый в виде коммутационной функции р(l), осуществляющей их перераспределение вдоль воздушной трассы (ВТ) протяженностью l с учетом корреляционной связи между ИВД на различных участках ВТ, задаваемой автокорреляционной функцией (АКФ) R(l), полученной по реализациям r(l) отклонений числа ВС, одновременно находящихся под управлением, от их среднего числа.

Рассмотрение проводится для фиксированного момента времени, задаваемого в центре управления ресурсами. В качестве независимого параметра выступает расстояние l от пункта УВД, по базе данных которого осуществляется прогноз, до некоего пункта УВД в направлении ВТ. Исходными данными для прогноза являются данные об ИВД в пункте УВД, совмещенном с центром управления связными ресурсами, характеризуемые значением r(0), и АКФ R(l), содержащей информацию как о случайных изменениях ИВД, вызываемых возмущающими факторами, так и о регулярных изменениях, определяемых, в частности, суточными колебаниями ИВД.

На множестве R порождающих функций r(l) с экспоненциальной АКФ
R (l) = ехр (-l) ищется функция rорt (l), находящаяся на минимальном (в среднеквадратическом смысле) расстоянии от множества P коммутационных функций p(l). При этом функция rорt(l) и ближайшая к ней коммутационная функция рорt(l) записываются:

, (10)

, (11)

где Ф(к) = / 4 - к .

Проанализирована эффективность предложенного метода уменьшения задержки передачи навигационных данных при УВД с АЗН, связанной с конечным временем синхронизации системы передачи.

Этот метод, применимый как к фазовой автоподстройке частоты, так и к системе тактовой синхронизации, состоит в принудительной грубой синхронизации следящей системы, осуществляемой по разовому отсчету рассогласования входной последовательности относительно опорной, в результате чего уменьшается среднее время синхронизации, так как начальное рассогласование не произвольно, а определяется ошибкой грубой синхронизации.

На рис. 4 приведены результаты расчета зависимости выигрыша M в величине среднего времени синхронизации и связанной с ним дополнительной

ошибки местоопределения ВС от отношения сигнал / помеха (по мощности) q и отношения доплеровский сдвиг частоты / эффективная ширина полосы пропускания системы c. Как видим, выигрыш достаточно существенен и возрастает с увеличением отношения сигнал/помеха и величины доплеровского сдвига частоты, определяемой динамическими характеристиками ВС.

Заключение

Диссертация является научно-квалификационной работой, содержащей новое решение актуальной научной задачи разработки методов определения потребности в связных ресурсах и их перераспределения при управлении воздушным движением (УВД) переменной интенсивности и повышение эффективности использования авиационных систем связи путем совершенствования алгоритмов обработки информации и дисциплин обслуживания, имеющей существенное значение для теории и практики проектирования и эксплуатации систем УВД.

В результате проведенных исследований получены следующие основные научные результаты:

1. Проведен сравнительный анализ эксплуатационных возможностей традиционных и спутниковых систем связи, используемых при УВД и для передачи корректирующей информации в СРНС, работающих в дифференциальном режиме, с учетом требований, вытекающих из концепции ИКАО по реализации функций связи, навигации и наблюдения при УВД (CNS/ATM), рекомендаций ИКАО по построению глобальной коммуникационной сети АТN, предназначенной для обслуживания воздушного движения и авиационной отрасли, и особенностей функционирования авиационных систем связи (АСС) в высоких широтах.
2. Предложена модель связи параметров информационного и транспортного потоков при УВД и получены расчетные соотношения для определения зависимости вероятностных характеристик интенсивности радиообмена от параметров транспортного потока в зоне УВД.
3. Предложен алгоритм перераспределения связных ресурсов ССС с учетом корреляционной связи интенсивностей воздушного движения в различных зонах УВД.
4. Выработаны рекомендации по минимизации числа рабочих каналов для передачи сообщений с различными приоритетами при УВД с использованием спутниковых систем связи (ССС), проведен сравнительный анализ эффективности различных методов повышения достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи при УВД.
5. Проведен анализ факторов, определяющих задержку сообщений, передаваемых по каналам АСС при УВД и в дифференциальных подсистемах (ДПС) СРНС; дана оценка влияния задержки при передаче навигационных данных на точность местоопределения маневрирующего воздушного судна (ВС) при УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН) и предложен способ улучшения динамических характеристик системы синхронизации канала передачи данных, основанный на ее оптимизации по быстродействию и адаптации к интенсивности помех.
6. Предложены алгоритмы обработки информации в приемной аппаратуре МВ и ДКМВ систем связи, используемых при УВД и в ДПС СРНС, адаптированные к характеристикам как аддитивных помех типа атмосферных, индустриальных помех и узкополосных помех от мешающих радиотехнических средств, так и мультипликативных помех, обусловленных изменениями условий распространения ДКМВ сигнала в периоды авроральных возмущений ионосферы в высоких широтах и многолучевостью при распространении МВ сигнала, а также алгоритм моделирования приближенной к реальной помеховой обстановки при полунатурных испытаниях приемной аппаратуры МВ и ДКМВ систем связи.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1. С ростом интенсивности воздушного движения возрастает интенсивность радиообмена при УВД, что обуславливает актуальность разработки методики определения объема связных ресурсов, обеспечивающего надежную связь с гарантированной вероятностью в условиях изменяющейся интенсивности воздушного движения, и алгоритма их перераспределения между зонами УВД в зависимости от текущей потребности в них, техническая возможность которого появляется при переходе на спутниковую технологию в связном сегменте системы УВД.
2. Полученные расчетные соотношения, связывающие вероятностные характеристики информационных потоков при УВД с параметрами транспортного потока в зоне УВД позволяют обоснованно формулировать требования к пропускной способности каналов связи систем УВД с учетом времени пребывания ВС в зоне УВД; устанавливать нормы загрузки диспетчера с учетом его психофизических возможностей; повысить эффективность использования
   средств связи систем УВД за счет перераспределения связных ресурсов и использования их в интервалах между «пиками» нагрузки для передачи информации, не связанной с УВД, а также определять вероятность нехватки расчетных значений связных ресурсов для обеспечения бесперебойной связи при УВД.
3. В ССС, используемых при УВД, минимум каналов связи, необходимых для обслуживания воздушного движения, при трехуровневом разделения сообщений по принципу приоритетности на приоритетные, неприоритетные и аварийные достигается при выделении одного - двух каналов для обслуживания аварийных сообщений и разбиении оставшегося фонда каналов на три группы: двух для обслуживания приоритетных и неприоритетных сообщений и третьей - для обслуживания тех и других с использованием абсолютного приоритета, заключающегося в прерывании обслуживания неприоритетных сообщений с отказом от обслуживания вытесненного требования либо его дообслуживанием.
4. Задержка передачи навигационных данных и корректирующей информации по каналам связи существенно снижает эффективность использования высокоточного средства навигации - СРНС при переходе на перспективную технологию УВД с АЗН. Одним из основных факторов, влияющих на задержку, является конечное время синхронизации канала связи, приводящее к появлению дополнительной ошибки местоопределения ВС. Предложенный алгоритм оптимизации по быстродействию системы синхронизации позволяет практически полностью устранить эту ошибку.
5. Неучет при разработке алгоритмов обработки информации в МВ и ДКМВ системах связи, традиционно используемых при УВД и в ДПС СРНС, реальной помеховой обстановки, а именно: существенного отличия атмосферных и индустриальных помех от нормальных, противоречивости требований к построению приемного тракта при одновременном воздействии на него широкополосных помех указанного типа и узкополосных помех от мешающих радиотехнических средств, а также влияния флуктуаций сигнала, связанных с условиями его распространения, приводит к значительному снижению качества функционирования систем связи. Предложенные алгоритмы обработки, адаптированные к реальной помеховой обстановке, позволяют реализовать помехоустойчивость канала передачи данных, близкую к потенциально достижимой.
6. Использование неравномерной расстановки частот в ССС для ослабления влияния на качество связи интермодуляционных помех, обусловленных нелинейностью ретранслятора, позволяет увеличить отношение сигнал/шум на 1,5 - 2 дБ. Наиболее эффективным методом уменьшения влияния интермодуляционных помех в спутниковых системах связи является сверточное кодирование, обеспечивающее энергетический выигрыш 6 - 7 дБ.

Основные публикации по теме диссертации

В изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования материалов диссертаций:

1. Спирин А.С., Рубцов В.Д. Метод управления связными ресурсами в спутниковых системах связи при УВД. Научный вестник МГТУ ГА, № 96, 2005, с. 80 - 83.
2. Спирин А.С. Анализ эффективности квазиоптимальной обработки сигнала при передаче данных в системах УВД с автоматическим зависимым наблюдением в условиях авроральных возмущений ионосферы в полярных районах. Научный вестник МГТУ ГА, № 133, 2008, с. 122 - 126.

В прочих изданиях:

3. Спирин А.С. Связь характеристик информационного потока в системе УВД с характеристиками транспортного потока. Межвузовский тематический сборник научных трудов Университета гражданской авиации «Проблемы эксплуатации и совершенствования транспортных систем», т. XIV. - СПб.: Университет ГА, 2009, с. 77 - 84.
4. Спирин А.С., Борсоев В.А. Комплексные исследования характеристик радиоэлектронных систем средствами математического моделирования. Сборник научных трудов Сибирского федерального университета «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2009, с. 450 - 454.
5. Спирин А.С., Рубцов Д.В. Управление связными ресурсами с использованием корреляционной связи между интенсивностями воздушного движения в зонах УВД. Тезисы докладов научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона «САКС-2004». - Красноярск: СибГАУ, 2004, с. 132 - 133.
6. Спирин А.С. Метод перераспределения связных ресурсов с учетом корреляционной связи потребности в них в различных районах УВД. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 35-летию МГТУ ГА. - М.: МГТУ ГА, 2006, с. 204.
7. Спирин А.С. Цифровая технологическая транкинговая радиосвязь. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 – летию гражданской авиации России. - М.: МГТУ ГА, 2008, с. 180 - 181.
8. Спирин А.С. Влияние условий распространения радиоволн в полярных районах на качество передачи данных при УВД. Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 – летию гражданской авиации России. - М.: МГТУ ГА, 2008, с. 188.

Соискатель Спирин А.С.

Подписано в печать18.02.11 г.

Печать офсетная Формат 60х90/16 1,26 уч.-изд. л.

1,28 усл.печ.л. Заказ №1220 Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА

125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20

Редакционно-издательский отдел

125493 Москва, ул. Пулковская, д.6а

© Московский государственный

технический университет ГА, 2011