CNS_ATM

Элементы CNS
Связь
Относящийся к связи элемент системы CNS/ATM обеспечивает обмен
аэронавигационной информацией и сообщениями между пользователями
воздушным
пространством
и/или
автоматизированными
системами
обслуживания воздушного движения и является одним из важнейших элементов
обеспечивающих функционирование системы ATM. В контексте ATM данный
элемент можно рассматривать по двум основным направлениям: речевая связь и
связь по линиям передачи данных; каждое из этих направлений можно
дополнительно разбить на сегменты “воздух-земля” и “земля-земля”
Концепция CNS/ATM в отношении элемента связи является весьма гибкой,
и некоторые или все элементы различных, уже имеющихся систем CNS/ATM
могут использоваться для внедрения полной системы CNS/ATM.
Связь “воздух - земля”
В рамках новой концепции CNS/ATM предполагается, что регулярная связь
“воздух - земля” на этапе полета по маршруту будет в основном представлять
собой обмен цифровыми данными. По этой причине пользователь сможет
формировать сообщение из заранее составленного перечня сообщений,
используя меню на экране монитора, добавляя некоторые специфические
параметры (или произвольный текст) и затем отправить составленного
сообщение.
В
некоторых
автоматизированными
бортовыми
случаях
и
передача
наземными
данных
между
системами
сможет
производиться без необходимости вмешательства со стороны пилота или
авиадиспетчера. Такой обмен данными намного сократит объем речевой связи и,
следовательно, уменьшит рабочую нагрузку на экипаж и авиадиспетчера.
Однако в загруженных узловых районах скорее всего будет отдаваться
предпочтение использованию речевой связи. В аварийных или нестандартных
ситуациях речевая связь сохранится в качестве основной связи “воздух - земля”.
1
Ниже приведены примеры передачи сообщений “воздух - земля”, хотя и не
все они используются в Украине.
Передача осуществляется по одной из следующих радиолиний:
а) Авиационная подвижная спутниковая связь (AMSS): геостационарные
спутники
связи,
предназначенные
специально
для
подвижной
связи,
обеспечивают обширную (практически глобальную) зону действия и каналы
высококачественной речевой связи и передачи данных. Использование AMSS
имеет особое практическое значение для воздушных судов, выполняющих
полеты
в
океанических
и/или
отдаленных
районах
континентального
воздушного пространства;
b) VHF-линия
связи
(аналоговая
связь):
имеющееся
оборудование
аналоговой VHF-связи имеет высокую эксплуатационную надежность и будет
по-прежнему использоваться для речевой связи в загруженных узловых
районах, а также для передачи нерегулярных сообщений общего характера в
зонах действия данного оборудования. В ближайшей перспективе в некоторых
районах мира может произойти насыщение диапазона VHF, предназначенного
для авиационной связи. Поэтому, под эгидой ICAO были разработаны
положения, предусматривающие уменьшение, где это необходимо, интервалов
разнесения частот с 25 до 8,33 кГц, что увеличивает количество располагаемых
каналов в таких районах. Разрабатываются также стандарты касающиеся
использования оборудования цифровой связи на основе многостационарного
доступа с временным разделением каналов в качестве среднесрочного решения
(после 2002 года) проблемы перегруженности радиочастотного спектра и для
улучшения обслуживания “воздух - земля”;
c) HF-линия связи (аналоговая связь): радиосвязь в диапазоне HF для
передачи
сообщений
за
пределы
зоны
прямой
видимости.
Обладает
ограниченной надежностью связи, главным образом, из-за непостоянства
характеристик распространения радиосигналов. Предполагается, что по мере
расширения использования AMSS в океанических (отдаленных) районах
загруженность
HF-каналов
будет
уменьшаться
и,
в
конечном
счете,
использование HF-каналов для регулярной связи будет сокращаться. До тех пор,
2
пока для обслуживания полетов над полярными регионами не будет создано
соответствующее спутниковое созвездие, приемлемое для использования
авиацией и охватывающее весь земной шар, HF-связь будет оставаться
единственным возможным средством в этих районах;
d) Режим
1
VHF-линии
цифровой
связи
(VDL
1):
использование
радиооборудования аналоговой VHF-связи для обмена данными было впервые
начато эксплуатантами воздушных судов в конце 70-х годов. Бортовое VHFрадиооборудование использовалось для передачи данных АОС и ААС между
воздушными судами и их авиакомпаниями с помощью специальных наземных
станций и соединяющих их между собой сетей. Эта система, которая стала
называться cистемой связи воздушных судов для адресации и передачи
сообщений (ACARS), получила значительное развитие и распространение, и в
настоящее время многие крупные авиакомпании используют ее для обеспечения
АОС, ААС и в ограниченных случаях для некритических по времени целей
радиосвязи для обслуживания воздушного движения (ATSC). Система ACARS не
являлась объектом какого-либо процесса стандартизации ICAO, однако, режим
VDL 1 был специально разработан для обеспечения возможности использования
его радиосигналов, схемы модуляции данных и оборудования. Скорость
передачи данных в режиме VDL 1 составляет 2400 бит/с.
е) Режим VDL 2: этот режим, который уже стандартизирован ICAO,
предусматривает использование методов цифровой радиосвязи. Номинальная
скорость передачи данных в 31,5 Кбит/с сопоставима с характеристиками связи
при разнесении каналов в 25 кГц и режима VDL 3 (комбинированная речевая
связь и передача данных). Используемая в режиме VDL 2 схема модуляции
позволяет применять различные протоколы для различных эксплуатационных
прикладных процессов, обеспечивая тем самым, значительное повышение
эффективности использования VHF диапазона;
f) Режим VDL 3 (концепция данного режима находится в стадии
разработки): этот режим использует метод многостанционарного доступа с
временным разделением каналов (TDMA) и, также стандартизируется ICAO.
TDMA использует приемы цифровой радиосвязи, обеспечивающие комплексное
3
применение как систем речевой связи, так и системе передачи данных.
Улучшенное использование VHF-спектра достигается за счет обеспечения
четырех отдельных радиоканалов на одной несущей частоте (разнесение
каналов составляет 25 кГц);
g) Режим VDL 4 (концепция данного режима находится в стадии
разработки):
этот
режим
использует
метод
самоорганизующегося
многостанционарного доступа с временным разделением каналов, который
помимо обеспечения функций обмена данными рассчитан также обеспечивать
использование линии передачи данных навигации и наблюдения;
h) Линия передачи данных режима S SSR: линия передачи данных в режиме
S SSR представляет собой линию передачи данных “воздух - земля”, которая
специально рассчитана для передачи ограниченных данных в районах с высокой
плотностью воздушного движения. Она может также использоваться в
смешанных условиях, для которых характерны различные уровни возможности
применения линии передачи данных бортовыми приемоответчиками.
i) HF
линия
передачи
данных.
С
учетом
того,
что
аномальное
распространение радиосигналов является редкостью для всей HF-полосы во
всех местах, продуманное размещение системы связанных между собой
наземных станций и наличие подходящего набора частот позволит найти
“наилучшую” частоту для передачи данных в любом месте земного шара и в
любое время. HF-линия передачи данных может дополнять AMSS в
океанических/отдаленных районах и обеспечивать возможность связи в
полярных районах. В таблице 1.7. в общих чертах приведены задачи,
относящиеся к компоненту речевой связи “воздух-земля”, в рамках концепции
CNS/ATM.
Связь “земля - земля”
Предполагается, что основной объем регулярной связи между наземными
авиационными пользователями и системами будет представлять собой обмен
данными. Такой обмен данными между, например, метеорологическими
органами, службами NОТАМ, банками авиационных данных, органами
4
обслуживания воздушного движения и пр. может представлять собой
следующее:
- обмен сообщениями с произвольным текстом;
- обмен предварительно выбранными информационными сообщениями (с
некоторыми частями добавляемыми вручную);
- автоматизированный обмен данными между компьютеризированными
системами.
Различные наземные сети, которые уже внедрены государствами, группой
государств или коммерческими поставщиками обслуживания, будут попрежнему обслуживать обмен данными между авиационными пользователями.
Однако, только те сети, которые являются совместимыми с базовой моделью
OSI ISO, смогут использовать услуги ATN по обеспечению межсетевого
взаимодействия. По мере постепенного развертывания ATN использование сети
авиационной фиксированной связи (AFTN) будет сокращаться. Однако в течение
переходного периода будет предусматриваться возможность взаимо-действия
терминалов AFTN с ATN с помощью специальных межсетевых переходов.
Речевая связь между органами обслуживания воздушного движения будет
по-прежнему требоваться в аварийных или обычных ситуациях. Учитывая
сравнительно незначительное использование речевой связи “земля - земля”,
специализированные
каналы
прямой
речевой
связи
будут
постепенно
заменяться авиационными интегрированными сетями связи, способными
обрабатывать речевые сообщения и цифровые данные. В таблице 1.8. в общих
чертах приведены задачи, относящиеся к компоненту речевой связи “земляземля”, в рамках концепции CNS/ATM.
Сеть авиационной электросвязи – ATN.
ATN и связанные с ней прикладные процессы специально рассчитаны
обеспечивать, для конечного пользователя, надежную сквозную связь по
различным сетям для целей обслуживания воздушного движения. ATN может
также обеспечивать другие виды связи, например связь в целях АОС, ААС и
АРС. Некоторые другие особенности ATN заключаются в следующем:
- повышенная защита данных;
5
- в основу сети положены признанные на международном уровне
стандарты обмена данными;
- предоставляются
различные
услуги
(например,
предпочтительная
подсеть “воздух - земля”);
- обеспечивается возможность интеграции общественных/частных сетей.
Сложность ATN будет зависеть от требований обслуживаемого воздушного
пространства и потребностей в соответствующей информации, передаваемой по
сети ATN.
На рис. 1.13. в качестве примера показаны основные компоненты сети ATN.
Линии передачи данных
Линии передачи данных являются важнейшим элементом концепции
CNS/ATM. Без данного элемента была бы невозможной реализация аспекта
глобального наблюдения, который делает систему CNS/ATM намного более
совершенной, чем традиционные системы обслуживания воздушного движения,
и перегруженность обычных речевых каналов достигла бы пределов, негативно
сказывающихся на безопасности полетов.
Одной из главных особенностей новых систем CNS/ATM является
применение линий и сетей передачи данных для поддержания авиационной
связи. В настоящее время двухсторонняя связь “воздух-земля” осуществляется
через
авиационную
подвижную
спутниковую
службу
AMSS,
по
высокочастотной линии передачи данных (HFDL), по линии передачи цифровых
данных (VDL) и в режиме S SSR, которые признаны ICAO как средства,
пригодные для связи в воздушном пространстве различных типов и различных
эксплуатационных условиях.
В указанных линиях передачи данных применяют различные методы
передачи, тем не менее аналогичные с точки зрения интерфейса пользователя,
то есть все они применяют общий протокол обмена данными, основанный на
OSI ISO.
6
Возможности обработки сообщений на том или ином радиоканале могут
быть значительно расширены, если речевые сообщения будут заменены
сообщениями
из
цифровых
данных.
Например,
типовое
донесение
о
местоположении воздушного судна, могущее занимать до нескольких десятков
секунд “эфирного времени” при обычной (голосовой) системе передачи
донесений, может быть представлено цифровым кодом в виде потока бит как
сообщение автоматического зависимого наблюдения и передано по линии
передачи данных “воздух-земля” лишь за доли секунды. Это значит, что
конкретная линия цифровой передачи данных может пропускать больше
донесений о местоположении воздушных судов в единицу времени (т.е.
увеличение емкости) или, что возрастает вероятность доступа воздушного судна
к линии в любое время, поскольку ее загруженность (линии связи) уменьшится.
Характеристиками
системы
связи,
от
которых
будет
зависеть
время
длительности передачи являются:
- схема кодирования сообщения. ICAO разработала высокоэффективные
схемы кодирования сообщений, при которых для кодирования типичного
донесения (при использовании ADS) о местоположении воздушного судна
потребуется менее 300 бит;
- число служебных бит, требуемых для удовлетворения характеристик
“сквозной” передачи при работе в сети. Согласно проекту положений по ATN,
для обеспечения межсетевого взаимодействия, применительно к типичному
сообщению ADS, потребуется менее 200 служебных бит. Некоторое количество
дополнительных бит потребуется также для передачи и обнаружения данных в
подсети;
- схема доступа к каналу (сигнализация, запрос о резервировании и т.п.);
- скорость передачи данных по цифровой линии связи в битах в
секунду (бит/с). В настоящее время наименьшая из применяемых скоростей
передачи данных составляет 600 бит/с (это наименьшая скорость, доступная в
системе AMSS), а наивысшая предполагаемая скорость – 31 500 бит/с.
7
При обычной речевой радиосвязи любой мешающий сигнал, входящий в
полосу пропускания канала радиосвязи, приводит к ухудшению принимаемого
полезного
сигнала, т.е.
уменьшает реальное соотношение сигнал/шум,
измеряемое у приемника. Некоторые примеры таких мешающих сигналов:
шумы в кабине пилота, воспринимаемые микрофоном; радиочастотные помехи
от других передатчиков; атмосферный шум, вызываемый природными
процессами типа грозовых разрядов; тепловой шум, присутствующий во всех
системах связи.
Неправильное понимание может иметь место и по нетехническим
причинам, таким как различия в акцентах, правилах фразеологии радиообмена и
т.д.
С другой стороны, современные цифровые линии передачи данных
“воздух-земля” гораздо лучше защищены от неправильного понимания или
неверного толкования сообщений. Заранее определенная и стандартизированная
структура сообщений почти не оставляет возможности для их неверного
толкования в результате различия в акцентах или фразеологии.
Передача цифровых данных для авиационной отрасли, в настоящее время
обеспечиваются
такими
компаниями,
специализирующимися
в
области
авиационной связи, как ARINC и SITA. Эта система совместима с, предлагаемой
ICAO, ATN. Предполагается, что в рамках концепции CNS/ATM ATN превратится
в глобальную сеть обмена цифровыми данными для обеспечения безопасности
полетов.
Линии передачи данных AMSS, VDL, режима S SSR, HF используют
различные методы передачи данных, но, представляя собой отдельные сети, все
они используют одинаковый протокол сетевого доступа в соответствии с
базовой
моделью
взаимодействия
открытых
систем
Международной
организации по стандартизации (OSI ISO). Это обеспечивает их взаимосвязь с
другими наземными сетями таким образом, что бортовой терминал любой из
этих линий передачи данных может быть соединен с любой наземной системой
вследствие принятия общих протоколов интерфейса, также основанных на
базовой модели OSI ISO. Система связи, которая позволяет наземным подсетям
8
передачи данных “земля - земля”, подсетям передачи данных “воздух - земля” и
бортовым
подсетям
передачи
данных
взаимодействовать,
обеспечивая
конкретные авиационные прикладные процессы, представляет собой сеть
авиационной электросвязи. Упомянутые выше линии передачи данных “воздух земля” являются совместимыми с ATN и поэтому могут использоваться в
качестве подсетей ATN. В структуре ATN подсети соединяются между собой с
помощью трассировщика ATN, который выбирает наилучший маршрут передачи
каждого информационного сообщения. В этой связи выбор конкретной линии
передачи данных “воздух - земля” зачастую является незаметным для конечного
пользователя.
Радиолинии передачи данных, используемые для связи с воздушными
судами
в
полете, имеют
исключительную
важность для
обеспечения
безопасности, регулярности и экономичности полетов. По этой причине должны
существовать
необходимые
технические
и
организационно-правовые
договоренности, которые:
- обеспечивают
наличие
достаточного
спектра
радиочастот
для
авиационных служб, исходя из существующих и прогнозируемых уровней
воздушного движения;
- препятствуют появлению радиочастотных помех (RFI), которые влияют
на частоты, полосы пропускания частот;
- предусматривают
предоставление
услуг
связи
коммерческими
поставщиками обслуживания.
В таблице 1.9. в общих чертах приведены задачи, относящиеся к
компоненту связи “воздух-земля” по линии передачи данных, в рамках
концепции CNS/ATM.
Будущие тенденции новых систем связи
Имеется ряд фундаментальных отличий обычных систем связи от систем,
которые входят в состав новых систем CNS/ATM. Ключевые особенности новых
систем, которые существенно отличают их от обычных систем связи,
заключаются в следующем:
9
- регулярная связь в основном представляет собой цифровой обмен
данными;
- речевая связь используется главным образом в нестандартных и
аварийных ситуациях;
- упор делается на связность и функционирование в глобальном масштабе.
Эти особенности позволяют более эффективно использовать каналы связи и
обеспечивают
совместное
использование
средств
связи
многими
пользователями.
Основанные на последних технологических достижениях, новые системы
связи представляют лучшие и более дешевые услуги в большом объеме.
Использование таких новых систем для целей международной гражданской
авиации изучается. Некоторые будущие системы связи, которые могут
обеспечивать необходимый уровень обслуживания авиационного сообщества,
представляют собой следующее:
- системы
низкоорбитальных
спутников,
зона
действия
которых
охватывает практически весь земной шар и для которых характерны менее
строгие требования к мощности сигналов;
- новые сетевые средства, обеспечивающие комплексную речевую связь и
передачу данных.
Требуемые характеристики связи
Появление нескольких типов линий передачи данных для обеспечения
обмена данными “воздух - земля” и конкретных функций навигации и
наблюдения
вызвало
аэронавигационной
обеспокоенность
системы.
По
мнению
чрезмерным
ICAO,
было
усложнением
бы
идеальным
использовать одну систему связи “воздух - земля”, способную экономически и
эффективным образом удовлетворять все потребности в связи, навигации и
наблюдения во всех типах воздушного пространства и на всех этапах полета.
Однако,
поскольку
такое
техническое
решение,
отвечающее
всем
эксплуатационным требованиям, пока не найдено, авиационное сообщество
должно рассматривать все имеющиеся, а также разрабатываемые системы связи,
10
хотя некоторые из них могут выполнять только одну функцию или обслуживать
только ограниченный район.
Наличие нескольких систем связи обеспечивает определенную гибкость
при планировании и внедрении обслуживания в различных типах воздушного
пространства; однако разнотипность подсетей будет осложнять эксплуатацию и
управление глобальной ATN. Например, если для целей авиационной связи в
некотором обширном районе континентального воздушного пространства уже
развернуты средства диапазона VHF, то наилучшим вариантом линии передачи
данных “воздух - земля” могут оказаться VDL, поскольку в данном районе уже
имеется
необходимая
инфраструктура
(т.е.
здания,
мачты,
источники
энергоснабжения и пр.). Аналогичным образом, если в некотором районе уже
имеется разветвленная сеть режима S SSR, можно при сравнительно небольших
дополнительных инвестициях реализовать соответствующую линию передачи
данных.
Необходимо отметить, что хотя возможность выбора между несколькими
типами систем связи дает определенное преимущество с точки зрения
внедрения, это осложняет региональное планирование аэронавигационных
систем, особенно когда требуется обеспечить согласованную и четкую связь
между соседними FIR. Одно из решений данной проблемы заключается в том,
чтобы покончить с практикой спецификации характеристик отдельных систем и
вместо этого трансформировать все соответствующие эксплуатационные
требования в данном районе воздушного пространства и при данном сценарии в
серии параметров, определяющих характеристики связи. Исходя из этого, фраза
“требуемые
характеристики
связи”
означает
перечень
обоснованных
количественных требований к таким характеристикам связи, как пропускная
способность, готовность, частота ошибок, задержка при передаче и т.д. Как
только для эксплуатационного сценария в рассматриваемом воздушном
пространстве будут установлены RCP, любую одну систему связи или сочетание
систем, которые отвечают установленному перечню параметров, можно считать
приемлемым для эксплуатации.
11
Использование спутниковых систем
связи в авиационных целях
Спутниковые системы связи, возникнув вначале как дорогое, но в тоже
время единственное средство быстрого обмена информацией с подвижными
объектами на больших расстояниях, уже в первых поколениях практической
реализации показали, что они могут успешно конкурировать по стоимости и
качеству предоставляемых услуг с традиционными наземными системами
радиосвязи.
Основные требования, предъявляемые к спутниковым системам связи,
используемых в авиационных целях, могут быть представлены как следующие:
- качество связи между абонентами сети обслуживания воздушного
движения;
- каналы связи, выделенные для обслуживания воздушного движения,
должны иметь приоритет и ни в коем случае не использоваться совместно с
потребителями общего назначения;
- обеспечение надежности подобных систем связи путем дублирования
конфигурации наземного и бортового оборудования;
- обеспечение гибкой доступности каналов связи с постоянным доступом и
с доступом по запросу;
- четкий контроль за временными задержками в сети;
- снижение расходов на установку и содержание станций связи.
При
упоминании
подвижных
спутниковых
систем
связи
считаем
необходимым, более подробно остановиться на системе связи Международной
организации подвижной спутниковой связи (INMARSAT). Почему INMARSAT? В
настоящее время это единственная реально функционирующая глобальная
система спутниковой связи, поскольку компания “Iridium” заявила о завершении
предоставления услуг спутниковой связи с 17 марта 2000 г. и последующем
затоплении своих 66 спутников, а система “GLOBALSTAR” все еще находится на
этапе тестирования.
12
По итогам 1999 года число пользователей INMARSAT увеличилось на 32%,
число потребителей авиационных услуг
связи – на 16%. Система
спутниковой связи INMARSAT, относится к классу систем подвижной
спутниковой связи. В таких системах абонентские станции не располагаются на
жестко фиксированных позициях, а могут менять свое местоположение, отсюда
и определё1ение класса системы.
В
состав
любой
системы
подвижной
спутниковой
связи
входят:
абонентские станции, или еще называемые терминалами, стационарные земные
станции сопряжения с наземными сетями связи и станции управления сетью
связи,
иногда
объединяемые
со
стационарными
земными
станциями
сопряжения. Системы подвижной спутниковой связи классифицируются в
основном по типу используемых орбит и по различиям в зонах обслуживания.
INMARSAT была образована в 1979 г. из прежней Международной морской
консалтинговой
организации,
сегодняшней
Международной
морской
организации. INMARSAT – аббревиатура полного первоначального названия
(International Marine Satellite), и хотя система расширилась, были освоены
новые, не морские рынки связи и поменялось название, в настоящее время
(International Mobile Satellite Organization), сокращение осталось прежним. На
начало 1999 г. эта организация объединяла 86 стран. В апреле 1999 г. INMARSAT
была
преобразована
в
частную
компанию,
зарегистрированную
в
Великобритании. Когда в 1982 г. система предоставила свои первые услуги, она
обеспечивала спутниковой связью морской транспорт, а также связь в случае
стихийных бедствий и при проведение спасательных операций. С тех пор
INMARSAT предлагает услуги спутниковой связи для абонентов как на суше так
и в воздухе. INMARSAT обслуживает авиационный транспорт по всему миру при
помощи сети, объединяющей 100 ведущих операторов.
По мере развития системы был разработан целый ряд абонентских и
земных станций, позволяющих обеспечить автоматической связью морские,
сухопутные и авиационные подвижные средства. Первоначально для этого
использовались арендованные спутники типа Marisat, Marecs и Intelsat-MCS.
Сейчас используются специализированные спутники INMARSAT.
13
Запуск в 1992 г. спутников серии INMARSAT-2, обладающей улучшенными
энергетическими характеристиками, сделал возможным предоставление услуг
спутниковой связи сухопутным и авиационным потребителям с помощью
небольших и относительно легких (около 20 кг) терминалов. Вывод на орбиту в
1996 г. спутников серии INMARSAT-3, имеющих на борту несколько приемных и
передающих антенн, позволил сформировать различные зоны обслуживания –
так называемые глобальные и зональные лучи. Высокая направленность антенн
зональных
лучей
спутников
позволила
уменьшить
размер
терминалов
пользователей и снизить их массу практически до 2 кг.
Система INMARSAT базируется на использовании спутников, находящихся
на геостационарной орбите (на такой орбите спутник синхронно вращается
вместе с Землей вокруг ее оси и таким образом остается неподвижным для
наблюдателя на земле) на расстоянии 35 786 км от поверхности планеты.
Спутники расположены над Атлантическим, Индийским и Тихим океанами рис.
1.14. и, за исключением районов полюсов, созвездие спутников INMARSAT-3
обеспечивает покрытие всего земного шара.
Для авиационных целей 23 авиационные земные станции обеспечивают
сопряжение с наземными сетями электросвязи, по которым проходит поток
сообщений между бортовыми и наземными терминалами.
В связи с тем, что ни одно государство-член организации INMARSAT не
эксплуатирует земных станций во всех четырех океанических районах, многие
государства объединились в рамках коммерческих консорциумов для того,
чтобы обеспечивать пользователей воздушного пространства беспрерывным
глобальным
обслуживанием.
В
настоящее
время
создано
три
таких
консорциума. Ими являются: “Satellite Aircom”, в который входят Франция,
Канада,
Австралия
и
SITA;
“Skyphone”,
объединяющий
Соединенное
королевство, Норвегию, Сингапур и ARINC (для обеспечения услуг по передаче
данных); и “Skyways Alliance”, членами которого являются США, Индонезия,
14
Япония, Корея, Филиппины, Италия и Малайзия. В части предоставления услуг
по передаче данных “Skyways Alliance” также сотрудничает с ARINC.
Авиационное приложение INMARSAT, получившее название “INMARSATAero”, обеспечивает цифровую радиотелефонную связь и передачу данных для
воздушного
транспорта.
Предоставление
коммерческих
услуг
данного
приложения началось в 1992 г. и имеется устойчивая тенденция к росту
пользователей ее услугами. Предполагалось, что на конец 2000 г. абонентскими
станциями такого типа будут оснащены уже несколько тысяч воздушных судов.
В настоящее время авиационная мобильная подвижная спутниковая служба
INMARSAT предлагает пользователям три различных типа продукции “Аero”:
1. Aero-H: для коммерческих воздушных судов большой и средней
дальности и тяжелых реактивных самолетов корпораций.
Обеспечивает воздушные суда двухсторонней цифровой связью для
передачи речевых сообщений, факсимильной информации и данных в реальном
масштабе
времени.
Данный
вид
обслуживания
предназначен
для
тех
эксплуатантов воздушных судов, которым требуются средства телефонной,
факсимильной связи и передачи данных для использования пилотами,
бортпроводниками и пассажирами. Система Aero-H имеет глобальную зону
действия и соответствует SARPs ICAO для AMSS.
2. Aero-I: для коммерческих воздушных судов малой и средней дальности,,
легких реактивных самолетов корпораций и турбовинтовых самолетов.
Предназначена для обеспечения воздушных судов двухсторонней цифровой
речевой и факсимильной связью для регионального применения. Это
обслуживание ориентировано на эксплуатантов воздушных судов малой и
средней дальности, которым требуется обеспечить пассажиров средствами
телефонной и факсимильной связи. Речевая связь обеспечивается только
методом сфокусированного луча и не рассчитана на использование в целях
обеспечения безопасности полетов, хотя такое ее функциональное назначение и
не исключается.
15
3. Aero-L: для коммерческих воздушных судов и реактивных самолетов
корпораций, которым не требуются средства речевой связи или средства
высокоскоростной передачи данных.
Обеспечивает воздушные суда средствами низкоскоростной двухсторонней
передачей данных в реальном масштабе времени. Такой вид обслуживания
предназначен для эксплуатантов воздушных судов, которым требуются
высоконадежные средства передачи данных для пилотов, бортпроводников и
пассажиров. Характеристики системы Aero-L полностью соответствуют SARPs
ICAO для AMSS.
Авиационная система INMARSAT сертифицирована для использования в
целях организации воздушного движения в южной части Тихого океана и в
других районах океанического и удаленного воздушного пространства, где
воздушные суда находятся под процедурным контролем.
Стоимость терминалов INMARSAT в зависимости от стандарта может
изменяться в широких пределах: от тысяч до десятков тысяч долларов.
Стоимость минуты речевого сообщения в INMARSAT сопоставима с ценой
минуты международных переговоров в телефонных сетях.
В таблице 1.8., в общих чертах приведены задачи, относящиеся к
компоненту речевой связи “земля-земля” в рамках концепции CNS/ATM, а на
рис. 1.16. показана будущая среда связи.
Также, необходимо сказать несколько слов и о других организациях
несущие юридическую ответственность за предоставленные услуги в области
связи.
Это,
например,
межправительственные
организации
типа
EUROCONTROL, смешанные организации типа международной организации
спутниковой связи INTELSAT и частные организации типа SITA и ARINC.
Заслуживает внимания система связи, разрабатываемая под эгидой
EUROCONTROL с целью улучшения связи между странами акваторий Черного
и Каспийского морей. Эта система использует спутники EUTELSAT. Первые
станции этой системы были запущены в 1997 году в Симферополе (Украина),
Анкаре (Турция), Варне (Болгария) и Констанце (Румыния). На сегодняшний
день к сети присоединились Баку, Гянджа (Азербайджан), Тбилиси (Грузия),
16
Одесса (Украина), Стамбул (Турция), Ереван (Армения) и Бухарест (Румыния).
Благодаря этой системе значительно увеличена надежность и стабильность
систем голосовой связи в регионе, и сделан шаг на пути создания единой сети
спутниковой связи на региональном уровне с последующей интеграцией в
систему ATN в соответствии с концепцией CNS/ATM.
Анализ
работы
“Азеронавигация”,
данной
системы
результатом
был
которого
проведен
стало
на
предприятии
техноко-экономическое
обоснование перехода от наземных линий связи к спутниковым линиям.
Проведенный анализ показал, что система спутниковой связи окупит себя в
течение двух лет. Применение спутниковых терминалов позволяет отказаться от
дорогостоящей аренды наземных коммуникационных каналов для связи со
смежными районными центрами обслуживания воздушного движения, так как
оплата за использование наземного канала начисляется за 24 часа, хотя
фактически используются они значительно меньшее время. Отсюда следует, что
применение повременной оплаты за использование спутникового канала, так же
как за использование междугородного телефонного канала связи, может
принести значительную экономию средств и оправдать первоначальные затраты
на закупку оборудования.
В данное время все страны акватории Черного моря и Закавказья охвачены
сетью голосовой спутниковой связи. Следующим этапом в развитии данной сети
является наращивание ее до системы передачи данных от радиолокаторов
между странами и организации посредством этого мультирадарного трекинга с
многократным покрытием территорий за счет информации, поступающей от
радиолокационных позиций соседних стран.
Существующая и будущая среды связи показаны на рис. 1.15., 1.16.
Навигация
Навигационный элемент систем CNS/ATM предназначен обеспечивать
возможность точного, надежного и непрерывного определения местоположения
на всемирной основе за счет внедрения спутниковой навигации.
17
Требуемые навигационные характеристики
Современные воздушные суда все чаще оснащаются оборудованием RNAV,
использование которого позволяет внедрить гибкую систему маршрутов
обслуживания воздушного движения. ICAO утвердила концепцию RNP
применительно к полетам по маршруту и распространила ее на этапы захода на
посадку, посадки и вылета.
RNP
представляет
собой
показатель
точности
навигационных
характеристик в пределах определенного воздушного пространства, основанных
на сочетании погрешностей навигационного датчика, погрешности бортового
приемника, погрешности отображения данных и погрешности, обусловленной
техникой пилотирования.
Типы RNP для полетов по маршрутам характеризуются конкретными
значениями точности, определяющими минимальную точность навигации,
которая должна обеспечиваться с учетом установленного уровня удержания.
Более подробно типы RNP описаны в DOC.9613 “Руководство по требуемым
навигационным характеристикам”.
Типы RNP для этапов захода на посадку, посадки и вылета определяются в
показателях требуемой точности, целостности, непрерывности и готовности
навигационного обслуживания. Хотя некоторые типы RNP содержат требования
к показателю точности характеристик только в боковой плоскости (т.е.
аналогично этапу полета по маршруту), другие типы включают также
спецификации характеристик в боковой и вертикальной плоскостях. Те типы
RNP, которые по своей спецификации аналогичны маршрутным типам RNP,
предназначены для выполнения таких операций, как неточные заходы на
посадку или вылеты. Большинство типов RNP для этапа захода на посадку и
посадки требуют обеспечить соответствующее удержание в траектории
вертикальной плоскости на основе информации навигационной системы.
18
Глобальная навигационная спутниковая система - GNSS
Будущее воздушного транспорта, как и других секторов глобальной
экономики, связано с процессами устойчивого развития. Единственная
возможность безопасного и эффективного удовлетворения растущего спроса на
авиаперевозки, по мнению М. Блэклока – главного редактора издательства
“International Systems and Communications”, заключается в обеспечении более
точной навигации и увеличении объема наблюдения при поддержке надежных
средств связи и в рамках рационально организованной системы воздушного
движения. Другими словами речь идет о переходе от системы, в основном
ориентированной на наземные средства, к спутниковым системам.
ICAO впервые занялось вопросом создания новой аэронавигационной
системы с использованием спутников в конце 60-х годов, однако в то время эта
работа не получила развития из-за нефтяного кризиса 70-х годов, серьезно
подорвавшего финансовое положение авиационной отрасли. Второй раз этот
вопрос был поставлен на повестку дня в 1983 г., когда был учрежден Комитет
FANS. Параллельно с этим в США и Советском Союзе были начаты разработки
военных
спутниковых
навигационных
систем,
позднее
переданных
правительствами этих стран для безвозмездного использования мировым
сообществом.
Ядром системы CNS/ATM является глобальная навигационная спутниковая
система,
представляющую
собой
всемирную
систему
определения
местоположения и времени, которая включает в себя одно или несколько
созвездий спутников, бортовые приемники, а также систему контроля
целостности и дополняемая необходимыми функциональными элементами для
обеспечения RNP на конкретном этапе полета. Освободив воздушные суда от
зависимости от наземных навигационных средств, GNSS сделала возможным
использование более прямых маршрутов обслуживания воздушного движения
во многих районах мира. Замена наземных средств компонентами GNSS, в
конечном итоге позволит сэкономить на их установке и техническом
обслуживании. Например, оснащение одного воздушного судна полным
19
комплектом оборудования для спутниковой связи реализующим бортовой
сегмент концепции CNS/ATM обходится в 500 тыс. долл. США Для сравнения:
стоимость одной установки SSR составляет 2,5 млн. долл. США, маяка VOR –
150 тыс. долл. США, одного комплекта DVOR/DME – до 1 млн. долл. США,
системы посадки по приборам I-й категории ICAO – 400 тыс. долл. США.
Развертывание
GNSS
будет
осуществляться
на
поэтапной
основе,
предусматривающей постепенное внедрение усовершенствований системы. В
ближайшей перспективе виды применения GNSS нацелены на обеспечение
возможности скорейшего внедрения спутниковой навигации на маршрутах,
используя имеющиеся спутниковые системы (GPS и GLONASS).
Виды применения в среднесрочной перспективе позволят использовать
существующие
спутниковые
навигационные
системы
с
любым
функциональным дополнением или сочетанием функциональных дополнений,
которые необходимы на конкретном этапе полета.
Для
внедрения
производства
полетов
на
основе
GNSS
принято
предусматривать три уровня системы:
а) GNSS как дополнительное средство навигации должна отвечать
требованиям к точности и целостности для конкретной операции или этапа
полета; требования к готовности и непрерывности могут не соблюдаться. На
борту должны иметься другие навигационные системы, обеспечивающие
выполнение данной операции или этапа полета;
b) GNSS как основное средство навигации должна отвечать требованиям к
точности и целостности обслуживания, однако не требуется, чтобы она отвечала
в полном объеме требованиям к готовности и непрерывности обслуживания при
выполнении данной операции или этапа полета. На борту воздушного судна
могут находиться другие навигационные системы для подстраховки GNSS,
используемой в качестве основного средства;
с) GNSS как единственное средство навигации должна обеспечивать
соответствие воздушного судна при выполнении данной операции или данного
этапа полета всем четырем требованиям, касающимся точности целостности,
целостности, готовности и непрерывности обслуживания.
20
Технические требования к GNSS приводятся в томе I Приложения 10 к
Конвенции
о
международной
гражданской
авиации.
Эти
требования
обеспечивают функционирование GNSS в воздушном пространстве с различной
интенсивностью и сложностью движения за счет определения требований к
различным уровням готовности и непрерывности.
При внедрении обслуживания на базе GNSS каждое государство должно
определить элементы GNSS, которые будут обеспечиваться (GPS, GLONASS,
системы функционального дополнения спутникового базирования - SBAS,
системы функционального дополнения наземного базирования - GBAS), и
подготовить план внедрения. Там, где уже имеются такие навигационные
средства, как VOR, DME и ILS государства могут записать в кредит
экономические преимущества, связанные со снятием с эксплуатации наземных
навигационных средств. Затраты на внедрение SBAS и GBAS следует увязывать с
обеспечением преимуществ для пользователей и повышением эффективности
использования воздушного пространства за счет использования зональной
навигации и возможности введения для многих взлетно-посадочных полос
сокращенных посадочных минимумов.
Действующими глобальными спутниковыми навигационными системами в
настоящее время являются GPS США и GLONASS Российской Федерации.
Правительствами этих стран предложено использовать обе системы для
создания GNSS.
GLONASS
Основное назначение данной системы – глобальная оперативная навигация
приземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) и
низкоорбитальных космических. Термин “глобальная оперативная навигация”
означает, что подвижный объект, оснащенный навигационной аппаратурой
потребителей, может в любом месте воздушного пространства в любой момент
времени
определить
(уточнить)
параметры
21
своего
движения.
Система
разработана по заказу и находится под управлением Министерства Обороны
Российской Федерации.
Распоряжением Президента Российской Федерации от 18.02.99 г. №38-рп,
GLONASS придан статус системы двойного (военного и гражданского)
назначения. Органами, ответственными за ее использование, поддержание и
развитие,
являются
Министерство
обороны
Российской
Российское
авиационно-космическое
агентство.
развития
использования
осуществляется
комиссией,
и
носящей
системы
название,
Федерации
Координация
“Интернавигация”
и
вопросов
Межведомственной
и,
образованной
в
соответствии с Постановлением Правительства Российской Федерации от 29.03.
99 г. №346 межведомственной оперативной группой.
В интересах мирового сообщества GLONASS используется в соответствии с
постановлениями Правительства Российской Федерации от 07.03.95 г. №237 и
от 29.03.99 г. №346 Россия предоставляет систему в стандартном режиме для
гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это
платы.
Полная орбитальная группировка в GLONASS содержит 24 штатных
спутников на круговых орбитах, с наклонением 64,8º в трех орбитальных
плоскостях по восемь спутников в каждой. Орбитальное построение GLONASS
может быть схематично проиллюстрировано на рис. 1.17., на котором выделены
орбитальные плоскости и точки “размещения”. В системе каждый штатный
спутник в орбитальной группировке постоянно излучает шумоподобные
непрерывные навигационные радиосигналы в двух диапазонах частот 1600 мГц
(L1) и 1250 мГц (L2). Используется частотный принцип разделения сигналов.
Координаты потребителя в системе определяются посредством их расчета
по псевдодальностям до спутников. Псевдодальности Di рассчитываются по
временным задержкам Ti сигнала по трассе “i-й навигационный спутник потребитель” и известной скорости распространения радиоволн с:
Di = c•Ti.
22
GPS
Система разработана по заказу Министерства обороны США и находится
под его же управлением. США предоставляют систему в стандартном режиме
для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это
специальной платы. За использование системы гражданскими потребителями
несет ответственность Министерство транспорта США.
По данным на 30 января 2001 орбитальная группировка GPS насчитывает
28 навигационных спутников, из них 24 рабочих и 4- резервных на круговых
орбитах, с наклонением 55º в шести орбитальных плоскостях по четыре
действующих спутника в каждой. В 2001 году планируется еще два космических
старта для пополнения созвездия GPS. Орбитальное построение GPS
схематично представлено на рис 1.18.
Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на
двух несущих частотах: L1 = 1575, 42 мГц и
L2 = 1227,6 мГц. Перед этим
сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми
последовательностями
(точнее,
эта
процедура
называется
фазовой
манипуляцией). Причем, частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A
кодом (код свободного доступа, находящийся в распоряжении мирового
сообщества) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 только
P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются
навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах
навигационных спутников, информация о параметрах атмосферы, поправки
системного времени.
23
19 января 1999 г. 9:00 UTC
180,0
13
D3
1/90
17
27
F2
7/92
26
Аргумент широты, град
90,0
23
15
D2
01/90
21
E4
12/90
E2
8/90
29
D4 14
E5
11/93
10/89
D1 16
8/91
F3
2/90
18
28
24
10
-180,0
E3
8/96
25
30
A2
3/92
22
A4
11/89
A3
9/92
3
31
C2
4/96
C3
4/93
B3
8/89
2
270
E1
4/89
-90,0
A1
7/93
9
150
0,0
F3
11/89
19
A5
11/97 B4
9/93
5
B2
9/96
B1 6
4/93
7
C4
Правое
6/93
восхождение, град
C1
3/94
Рис. 1.18. Орбитальное построение GPS.
Кодирование излучаемого радиосигнала преследует несколько целей:
- обеспечение возможности синхронизации сигналов навигационного
спутника и приемника;
- создание
наилучших
условий
различения
сигнала
в
аппаратуре
приемника на фоне шумов (так как псевдослучайные коды обладают такими
свойствами);
- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные
измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.
Код
свободного
доступа
С/А
(Clear(Coarse)/Acquisition),
иногда
переводимый как “легкий (грубый) захват” имеет частоту следования импульсов
1, 023 мГц и период повторения 0, 001 сек., поэтому его декодирование в
приемнике осуществляется достаточно просто.
Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования
импульсов 10, 23 мГц и периодом повторения 7 суток, кроме того, раз в неделю
24
происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени
измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие
разрешение Министерства обороны США.
С целью преднамеренного снижения точности определения координат для
С/А-кода введен специальный режим селективного доступа S/A (Selective
Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение
намеренно вводится ложная информация о поправках к системному и орбитах
навигационных спутников, что приводит к снижению точности навигационных
определений примерно в три раза. США планируют исключить к 2006 г. режим
селективного доступа к гражданскому сигналу с С/А-кодом, что позволит на
порядок повысить точность местоопределения. В GPS используется кодовый
принцип разделения сигналов. Способ навигационных определений в системе
аналогичен их определению в системе GLONASS.
Одним из важнейших направлений совершенствования и развития
спутниковой радионавигации является совместное использование сигналов
GLONASS и GPS. Основные цели этого процесса – повышение точности и
надежности (доступности, непрерывности обслуживания и целостности)
навигационных определений.
Наиболее
важными
предпосылками,
облегчающими
совместное
использование и интегрирование, служат:
- общность принципов баллистического построения обеих систем (высота
орбиты ≈20000 км, наклонение орбит ≈60º, период обращения спутников ≈12 ч.
и др);
- общность используемого частотного диапазона (≈1600 мГц L1 и ≈1200
мГц L2);
- общность измерения навигационных параметров;
- близость используемых систем координат, в которых определяется
местоположение объекта;
- практическая одновременность создания и совершенствования GLONASS
и GPS;
25
- готовность Правительств России и США предоставить системы для
использования различными потребителями мирового сообщества.
Европейская навигационная
спутниковая система - GALILEO
Создание Европейской навигационной спутниковой системы GALILEO
было задумано как альтернатива господствующему положению систем
GLONASS и GPS. Европейская система, полное развертывание которой
планируется завершить в 2008 г, создается под руководством Европейского
космического агентства при финансовой поддержке Европейской комиссии.
Получив в свое распоряжение систему GALILEO, Европа приобретет полную
независимость от спутниковых навигационных систем США и России,
функционирование которых контролируется Министерствами обороны этих
стран. Таким образом, руководители программы GALILEO преследуют, прежде
всего, политические и стратегические цели.
Реализация столь крупного проекта повлечет за собой значительное
расширение рынка коммерческих навигационных услуг. Объемы этого рынка
возрастут, по оценкам специалистов, за период с 2001 по 2010 годы с 5 до 38
миллионов евро, причем около 84% навигационных услуг будут связаны с
автомобильным транспортом и лишь 5% придется на авиацию. Остальные
проценты приходятся на морской флот, железнодорожный транспорт и на
развлекательные цели.
Концепция создания системы GALILEO предполагает наличие четырех
различных уровней доступа к навигационной информации:
- OAS (Open Access Service) - доступ для широкого круга пользователей;
- CAS (Controlled Access Service) - доступ для профессионального
использования;
- SAS
(Safety
государственными
и
Access
Service)
коммерческими
секретности;
26
-
доступ
службами,
для
использования
соблюдающими
режим
- GAS (Government Access Service) - доступ для государственных нужд.
Как резюме обзора, в таблице 1.10., приведены современные требования
авиационных потребителей к целостности радионавигационных систем на
различных этапах полета.
Функциональные дополнения GNSS
Для выполнения требований к характеристикам обслуживания (точность,
целостность, готовность и непрерывность) на всех этапах полета, системы GPS
и GLONASS должны использоваться различного рода функциональные
дополнения. В соответствии с принятой классификацией функциональных
дополнений GNSS, имеются три категории функциональных дополнений:
бортовые, наземные и спутниковые функциональные дополнения.
Бортовые функциональные дополнения
Одним из типов бортового функционального дополнения (ABAS) является
автономный контроль целостности в приемнике (RAIM), который может
использоваться в том случае, если в поле зрения находится более четырех
спутников с приемлемыми геометрическими характеристиками. Когда в поле
зрения находится пять спутников, можно рассчитать пять независимых
значений местоположения. Если они не совпадают, то можно предположить, что
один или несколько спутников передают неправильную информацию. Когда в
поле зрения находятся шесть или более спутников, можно рассчитать большее
количество значений местоположения, и приемник в этом случае может
определить неисправный спутник и не учитывать его при расчете данных о
местоположении.
Можно также использовать другие бортовые функциональные дополнения,
к которым обычно относится автономный контроль целостности на борту
(AAIM). Например, инерциальная навигационная система может использоваться
в дополнение к GNSS в течение коротких периодов времени, когда сигналы от
спутников затеняются воздушным судном при выполнении маневров, или в
27
течение периодов времени, когда в поле зрения имеется недостаточное
количество спутников.
Наземные функциональные дополнения
В случае реализации GBAS, называемых также системами с локальной
зоной действия, контрольное устройство размещается в аэропорту или вблизи
аэропорта,
в
котором
планируется
выполнять
точные
операции,
соответствующие сигналы направляются непосредственно на борт находящихся
в окрестностях аэродрома. Эти сигналы обеспечивают поправки для повышения
точности определения местоположения воздушного судна в данном районе, а
также информацию о целостности спутников.
Спутниковые функциональные дополнения
Представляется невозможным охватить с помощью наземных систем все
этапы полета. Один из способов дополнительного охвата обширных районов
заключается в использовании геостационарных спутников для передачи
дополнительной информации. Такая система представляет собой спутниковое
функциональное дополнение и часто называется системой с широкой зоной
действия (широкозонной) или региональным функциональным дополнением.
Использование геостационарных спутников для обеспечения SBAS связано
с определенными ограничениями, и поэтому нельзя рассчитывать, что такие
спутниковые системы будут обслуживать все этапы полета, в частности точные
заходы на посадку и посадки повышенных категорий. Поскольку орбита таких
спутников располагается над экватором, их сигналы не будут приниматься в
полярных районах, а также могут затеняться элементом конструкции
воздушного судна или рельефом местности. Это означает, что для преодоления
таких недостатков может потребоваться рассмотреть другие спутниковые и/или
наземные функциональные дополнения к GNSS.
К
настоящему
времени
наиболее
широкую
известность
получили
широкозонные системы функционального дополнения (радиус рабочей зоны
5000-6000 км), использующие геостационарные космические аппараты в
качестве средств передачи сигналов контроля целостности и дифференциальных
поправок. Такими системами являются: система функционального дополнения
28
США с широкой зоной действия - WAAS, Европейская геостационарная
навигационная система функционального дополнения - EGNOS и Японская
система функционального дополнения спутникового базирования - MSAS две из
которых WAAS и EGNOS будут использовать спутники INMARSAT-3. Для WAAS
будут задействованы спутники INMARSAT в Тихоокеанском регионе и в
западной части Атлантического региона, а для EGNOS спутники в регионе
Индийского океана и в восточной части Атлантического региона.
Широкозонная система функционального дополнения США - WAAS
WAAS является широкозонной системой функционального дополнения GPS
и, по замыслу заказчика, Федеральной авиационной администрации (FAA)
США, предназначена для обеспечения уровня целостности, доступности и
точности,
соответствующего
требованиям,
предъявляемым
к
основным
системам воздушного судна для всех фаз полета, вплоть до захода на посадку по
I-й категории ICAO, в первую очередь на Северо-Американском континенте и,
частично, в Северной Атлантике
Реализация проекта подразумевает, прежде всего, сгущение сети следящих
и базовых станций на территории Северной Америки, что предопределяет
сокращение
времени
обнаружения
отказавшего
спутника
и
выработке
дифференциальных поправок для всей указанной территории. Принципиальным
моментом является использование геостационарных спутников INMARSAT для
оперативной передачи пользователям, находящимся в разных районах нужной
им информации. Геостационарные спутники INMARSAT как бы дополнят
рабочее созвездие навигационных спутников, улучшая их видимость при
выполнении маневров. Проект был начат в 1997 г. и был рассчитан на три года.
По результатам выполнения первых этапов работы было сделано заключение,
что
выполнено
основное
требование
технического
задания:
обеспечен
необходимый уровень целостности - 6 секундный интервал времени выработки
сигнала предупреждения, что соответствует требованиям захода на посадку по
I-й категории ICAO.
29
WAAS состоит из космического и наземных сегментов, рис. 1.19.
Космический сегмент включает геостационарные космические аппараты (типа
INMARSAT или подобные), предназначенные:
- для передачи навигационного GPS-подобного сигнала в диапазоне L1 на
частоте 1575,42 мГц, который увеличит доступность, точность и надежность
навигационных определений, а также сигналов контроля своей целостности;
- для ретрансляции сформированных на земле сообщений о целостности
передачи информации со спутников GPS и геостационарных спутников и
вектора поправок к эфемеридным данным, шкалам времени и к параметрам
ионосферной модели Земли.
Наземный сегмент WAAS включает:
- широкозонные
контрольные
станции
мониторинга
(WRS),
предназначенные для контроля и наблюдения за состоянием навигационного
поля;
- широкозонные главные станции (WMS), предназначенные для обработки
данных мониторинга и наблюдений WRS;
- наземные станции (GES), предназначенные для передачи данных
космическому сегменту системы. Эти станции осуществляют связь между WMS
и спутником на геостационарной орбите.
WRS,
WMS
и
GES
объединены
в
единую
сеть
посредством
соответствующих линий передачи данных.
Система WAAS выполняет следующие функции:
1) Сбор данных о состоянии навигационного поля.
2) Определение ионосферных коррекций.
3) Определение и уточнение параметров орбит спутников.
4) Определение коррекций орбит и временных поправок для спутников.
5) Контроль целостности передачи информации со спутника.
6) Обеспечение независимой верификации (контроля или подтверждения)
выходных данных функций 1-5 перед их использованием потребителями.
30
7) Обеспечение
потребителей
корректирующей
информацией
и
дополнительными измерениями псевдодальностей, позволяющими повысить
надежность и точность навигационных определений.
8) Обеспечение работоспособности и собственного функционирования.
GEO satellite
GPS
GPS
GPS
GPS
GPS
WRS
ШКС
WRS
ШКС
WMS
ШГС
RWВПП
GES
НСПД
Посадка
Н-60 м
GES НСПД
WRS
ШКС
Рис. 1.19. WAAS – Система функционального дополнения США с
широкой зоной действия.
Европейская геостационарная
31
навигационная система
функционального дополнения - EGNOS
Европейская геостационарная навигационная система функционального
дополнения - EGNOS предназначена для выполнения следующих функций:
1. Увеличения числа навигационных спутников за счет использования
спутников на геостационарной орбите, передающих GPS-подобные сигналы.
2. Передачи информации о целостности работы спутников, это увеличит
доступность GPS/GLONASS/EGNOS до уровня, соответствующего требованиям
неточного (некатегорированного) захода на посадку.
3. Передачи
корректирующих
поправок,
что
позволит
обеспечить
точность до уровня, соответствующего требованиям точного захода на посадку
по I-й категории ICAO.
EGNOS создается по заказу и под наблюдением ETG объединяющей
представителей ESA, EUROCONTROL и CEC.
Основу EGNOS составляют геостационарные спутники связи INMARSAT-3
на которых установлен ретранслятор навигационных сигналов, передающий
навигационный
сигнал
соответствующий
навигационному
сигналу
поддиапазона L1 GPS.
В работе над системой принимают участие Франция, Германия, Испания,
Великобритания,
Италия,
Норвегия,
Австрия,
Швейцария,
Португалия.
Разработка EGNOS ведется с учетом перспективы ее интеграции и унификации с
аналогичными системами WAAS и MSAS.
Европейская навигационная система будет реализована в два этапа. На
первом этапе будет работать система GNSS-1, использующая сигналы GPS и
GLONASS. Второй этап предусматривает создание системы второго поколения
GNSS-2, которая будет представлять расширенный набор услуг по определению
местоположения и навигации обычным пользователям. На втором этапе в
систему будет включен спутник GALILLEO.
В Европейской навигационной системе будут использоваться три спутника,
находящихся на геостационарной орбите и соответствующая наземная
32
инфраструктура, охватывающая 40 городов (38 европейских, и по одному во
Французской Гвиане и в ЮАР). Система EGNOS начнет работу в конце 2003 г.,
а в 2008 г. с выводом на орбиту спутника GALILLEO она достигнет своей
“проектной” мощности.
Система функционального дополнения спутникового базирования
Японии - MSAS
Рост интенсивности воздушного движения в Северном районе Тихого
океана с 1992 по 2000 гг. в 1,7 раза и в 2,9 раза к 2010 г. обусловил принятие
Японией
концепции
CNS/ATM
на
основе
перспективных
спутниковых
технологий и, реакцией на рост воздушного движения явилась программа
создания японской системы функционального дополнения спутникового
базирования - MSAS, аналогичной системам WAAS и EGNOS.
MSAS будет выполнять аэронавигационные и метеорологические функции,
обеспечивать экипажи воздушных судов и органы обслуживания воздушного
движения
информацией
автоматического
зависимого
наблюдения
и,
обеспечивать как голосовую связь, так и передачу данных. Как элемент системы
широкозонного дополнения GPS, MSAS будет излучать GPS-подобный сигнал и
передавать
информацию
контроля
целостности
и
корректирующую
информацию, состав которой аналогичен составу передаваемой информации в
системах WAAS и EGNOS.
Предполагается, что по мере завершения испытаний после 2000 г. MSAS
может рассматриваться в качестве основного средства навигации для океанской
зоны с перспективой расширения этой функции до этапа захода на посадку
(вплоть до I-й категории ICAO).
Локальная система функционального дополнения - LASS
Другим направлением, которое позволяет обеспечить посадку по всем
категориям ICAO является локальная система функционального дополнения
33
наземного базирования (LAAS), называемая также локальной дифференциальной
подсистемой GPS.
LAAS имеет максимальную дальность действия 50-200 км включают одну
или две базовых станции, расположенных вблизи аэродрома, аппаратуру
управления и контроля и средства передачи данных.
К настоящему времени разработано несколько типов авиационных LAAS.
Эти системы отличаются следующими достоинствами:
- сравнительно небольшой состав оборудования позволяет снизить
издержки для обеспечения заходов на посадку в сложных метеоусловиях;
- позволяют в условиях I-й категории ICAO и потенциально более
сложных категорий обеспечивать возможность захода на посадку для начальных
участков всех взлетно-посадочных полос, располагающихся в радиусе до 55 км,
что делает эту систему экономически более эффективной, чем другие
технические средства, которые предназначены для одной взлетно-посадочной
полосы;
- отличаются гибкостью, позволяющей реализовать траектории захода с
переменной геометрией, минимизирующей время полета;
- в системах реализуются принципы проектирования, обеспечивающие
контроль состояния аппаратуры и ускорение ремонтных работ.
Работу LAAS можно проиллюстрировать следующим образом. Один
опорный
или
зафиксированный
приемник
размещен
на
контрольно-
корректирующей станции с известными координатами и ставится задача
определить местоположение двигающегося (как правило) приемника. Станция
знает свои точные координаты и поэтому может рассчитать разницу между
своим фактическим местонахождением и полученной от навигационных
спутников информацией о своем предположительном местонахождении и
передать скорректированную с учетом такого дифференциала информацию на
борт воздушного судна, что дает возможность вычислить его местоположение
точнее, чем в режиме обособленного приемника.
Авиационная LAAS, в общем виде, показана на рис. 1.20.
34
Проведенные летные испытания, в частности в США аэропортах
Филадельфии, Фербенкса, Колд Бей и Миннеаполиса продемонстрировали
высокую точность заходов на посадку. Обработка результатов измерений
показала, что на высоте принятия решения 30 м точность (95%) по боковому
каналу составила 0,39 м, по каналу определения высоты – 0,85 м.
Аналогичные работы проводились в Германии (аэропорты Гамбург,
Франкфурт на Майне) и Российской Федерации (аэропорт Самара). По словам
регионального
директора
авиакомпании
Lufthansa
Ульриха
Рюгера
авиакомпания, которую он представляет, стала первой в мире, имеющей
официальное разрешение от ICAO выполнять посадки самолетов семейств А-320
и А-330/А-340 производства Airbus Industry и Boeing 747-400 c использованием
GPS как штатного навигационного средства.
В Российской Федерации, в аэропорту Самара, при активной помощи
авиакомпании Lufthansa впервые в мире введена в штатную эксплуатацию
система захода на посадку с использованием спутниковой навигационной
системы GPS). Lufthansa намерена внедрять подобные проекты и в других
аэропортах Российской Федерации. В качестве первоочередных кандидатов
авиакомпания рассматривает аэропорты Перми, Нижнего Новгорода и Казани.
Успешное глобальное внедрение спутниковой навигации основывается на
наличии высококачественной базы данных о координатах. Точная спутниковая
навигация возможна только в том случае, когда для установления координат на
земле, расчета координат и определения координат с помощью спутниковых
систем, используется одна геодезическая система отсчета.
В целях обеспечения использования спутниковой технологии ICAO
приняла в качестве общей геодезической системы отсчета для целей
гражданской авиации систему WGS-84. Внедрение WGS-84 предусматривает
приведение государствами существующих систем отсчета координат к WGS-84.
В
настоящее
время
в
государствах
создаются
и
уточняются
аэронавигационные базы данных по результатам обследования существующих
навигационных средств, контрольных точек на местности и порогов взлетнопосадочных полос.
35
Навигационная стратегия EUROCONTROL для государств-членов ECAC,
вплоть до 2015 г. предусматривает следующее:
- NDB (используемые на маршрутном этапе полета) с 2002 г. будут
выводиться из эксплуатации. NDB, используемые для обеспечения захода на
посадку и посадки будут выводиться из эксплуатации несколько позднее;
- выведение из эксплуатации VOR планируется начать в конце 2004 г.
VOR, используемые для обеспечения захода на посадку и посадки будут
выводиться из эксплуатации несколько позднее;
- DME и GPS продолжают использоваться;
- системы функционального дополнения GNSS, спутникового базирования,
начнутся использоваться с конца 2002 г. а, начиная с 2003 г. они будут
применяться не только для маршрутного этапа полета, но и для обеспечения
захода на посадку и посадки;
- системы функционального дополнения GNSS, наземного базирования,
начнутся использоваться с 2005 г. Первоначально, их применение будет
ограничено обеспечением захода на посадку и посадки по I-й категории ICAO.
Позднее, начиная 2010 г. они начнут применяться и для обеспечения заходов на
посадку и посадки по II-й и III категориям ICAO;
- с началом использования систем функционального дополнения GNSS
спутникового и наземного базирования ILS обеспечивающие посадку по I-й
категории ICAO будут выводиться из эксплуатации;
- ILS обеспечивающие посадку по
II-й и III-й категориям ICAO, начиная
с 2010 г. будут выводиться из эксплуатации;
- начиная с 2000 г. MLS обеспечивающие заходы на посадку по III-й
категории ICAO будут постепенно вводиться в эксплуатацию.
В заключение обзора навигационного компонента системы CNS/ATM в
таблице 1.11., в общих чертах приведены задачи, относящиеся к компоненту
навигации в рамках концепции CNS/ATM, а на рис. 1.21., 1.22. показаны
существующая и будущая среды навигации.
36
Наблюдение
Используемые в настоящее время системы наблюдения можно разделить
на
два
основных
типа:
системы
зависимого
наблюдения
и
системы
независимого наблюдения. В системах зависимого наблюдения местоположение
определяются на борту воздушного судна, и затем эти данные передаются
органу обслуживания воздушного движения. Существующая система передачи
речевых донесений о местоположении представляет собой зависимую систему
наблюдения.
Независимое
наблюдение
осуществляет
система,
которая
определяет местоположение воздушного судна с земли. Наблюдение в
настоящее время основывается либо на передаче речевых донесений о
местоположении, либо на основе использования радиолокаторов (первичного
или вторичного), которые измеряют удаление и азимут воздушного судна
относительно наземной радиолокационной станции.
Наблюдение на основе передачи речевых донесений
Наблюдение на основе передачи речевых донесений о местоположении
используется в основном в океаническом воздушном пространстве, а также при
аэродромном диспетчерском обслуживании или районном диспетчерском
обслуживании за пределами зоны действия радиолокаторов. Пилоты сообщают
органу обслуживания воздушного движения или на станцию авиационной связи,
для последующей ретрансляции органу обслуживания воздушного движения
данные о своем местоположении, используя VHF и/или HF-радиооборудование.
Наблюдение на основе PSR
Наземная система PSR представляет информацию об азимуте и удалении
воздушного судна. PSR не требует какого-либо оборудования на борту
воздушного судна и способен обнаруживать практически любую движущуюся
цель, имеющую соответствующую площадь отражающей поверхности. По мере
расширения использования более современных систем наблюдения применение
PSR
для
обслуживания
международного
воздушного
движения
будет
сокращаться. Первичные радиолокаторы в настоящее время используются для
контроля наземного движения, а также для метеорологического наблюдения.
37
Наблюдение на основе SSR
SSR направляет запросы приемоответчикам, установленным на борту
воздушных судов. В режиме А приемоответчик воздушного судна представляет
данные об опознавательном индексе, азимуте и удалении воздушного судна, а в
режиме C представляется информация о барометрической высоте. В настоящее
время SSR широко используются во многих районах мира, где возможно
применение наземных систем наблюдения прямой видимости. Эффективность
SSR для целей наблюдения можно повысить за счет режима S, который
представляет собой метод использования однозначного адреса каждого
воздушного судна. Этот метод позволяет осуществлять селективный опрос
воздушных судов с приемоответчиками режима S. Он также обеспечивает
двухстороннюю линию передачи данных между наземными станциями режима
S и приемоответчиками режима S. Режим S представляет собой эффективный
инструмент наблюдения в районах с высокой плотностью воздушного движения
Наблюдение на основе ADS
Внедрение линии передачи данных “воздух - земля”, а также использование
достаточно точных и надежных навигационных бортовых систем позволяет
обеспечить наблюдение в районах, где существующая инфраструктура не
представляет такое обслуживание, в частности в океанических и других
районах, где трудно, экономически нецелесообразно или даже практически
невозможно развернуть существующие системы наблюдения. ADS представляет
собой, предназначенную для целей обслуживания воздушного движения
функцию, которая заключается в том, что воздушное судно автоматически
передает по линии передачи данных информацию, выдаваемую бортовыми
навигационными системами. Как минимум эта информация включает данные о
местоположении в пространстве и по времени, но могут также представляться
соответствующую
использоваться
движения
для
дополнительную
автоматизированной
предоставления
информацию.
системой
информации
Данные
обслуживания
ADS
будут
воздушного
авиадиспетчеру.
Помимо
представления информации о движении воздушных судов в районах отсутствия
радиолокационного контроля, ADS найдет эффективное применение также в
38
других районах, включая районы с высокой плотностью воздушного движения,
где оно может использоваться в качестве дополнительного и/или резервного
средства по отношению к SSR. Как и в случае существующих систем
наблюдения, полные преимущества ADS реализуются при использовании
дополнительной двухсторонней линии передачи данных и/или речевой связи
между пилотом и авиадиспетчером (речевая связь предусматривается по
крайней мере в аварийных и нестандартных ситуациях). В качестве наземного
элемента система ADS была впервые введена в эксплуатацию в южной части
Тихого океана, рис. 1.23.
Имеется два типа ADS: ADS-А и
ADS-B.
Оборудование ADS-А именуемое также ADS-C (контрактное) позволяет
автоматически посылать с борта воздушного судна данные о местоположении
органу обслуживания воздушного движения через определенные интервалы
времени или в определенных случаях по запросу со стороны органа
обслуживания воздушного движения, имеющего возможность через свои
технические средства, взаимодействующие с бортовой аппаратурой ADS
установить периодичность обновления необходимой информации с борта
воздушного
судна.
ADS-А
не
предназначено
заменить
имеющиеся
радиолокаторы, и его применение ограничивается областями воздушного
пространства,
где
используются
процедурные
методы
обслуживания
воздушного движения.
ADS-B предусматривает собой усовершенствованный метод ADS, который
предусматривает радиовещательную передачу данных о местоположении.
Каждое воздушное судно или наземное транспортное средство имеющее
оборудование
ADS-B периодически передает в радиовещательном режиме
данные о своем местоположении и другие соответствующие данные,
обеспечиваемые его оборудованием. Любой сегмент пользователя, находящийся
в воздухе или на земле в пределах дальности радиовещательной передачи,
может обрабатывать эту информацию в своих целях. Например, воздушное
судно имеющее оборудование ADS-B и получающее данные от других
воздушных судов, оснащенных оборудованием ADS-B сможет осуществлять
39
контроль за воздушной обстановкой также как и орган обслуживания
воздушного движения, что позволит значительно повысить безопасность
выполнения полетов.
ADS-B может использоваться в дополнение к SSR для обеспечения более
эффективного наблюдения (заполнения разрывов в зоне действия наблюдения) и
даже в качестве замены SSR в условиях низкой и средней плотности воздушного
движения.
Для реализации функции ADS необходимы следующие условия:
- наличие данных о местоположении воздушного судна, предоставляемые
бортовым навигационным оборудованием;
- отклонение
интервалов
передачи
донесений
от
универсального
скоординированного времени (UTC) не более одной секунды;
- CPDLC;
- наземную инфраструктуру передачи информации органу обслуживания
воздушного движения;
- соответствующие процедуры обслуживания воздушного движения.
Предъявляемые АТМ требования к наблюдению будут меняться в
зависимости от рассматриваемого воздушного пространства, а также плотности
и сложности воздушного движения. Эти требования можно определить
следующим образом:
а) существующие
системы
наблюдения
представляют
обновляемые
сообщения о местоположении воздушных судов, используемые для обеспечения
безопасного эшелонирования, при этом:
1) в районах с низкой плотностью воздушного движения, частота
обновления информации через 12 с является достаточной;
2) в условиях высокой плотности воздушного движения на маршрутах/в
районах аэродромов более приемлемой является частота обновления через 4 с;
b) точность
системы
наблюдения
должна
обеспечивать
минимумы
эшелонирования в установленном воздушном пространстве;
с) система наблюдения должна позволять органу АТМ предоставлять
пользователю воздушным пространством возможность выбора траектории
40
полета по маршруту и обеспечивать в полном объеме использование аварийных
процедур;
d) система наблюдения должна оказывать помощь в проведении поисковоспасательных операций.
Существующая и будущая среды наблюдения показаны на рис. 1.24, 1.25.
Требуемые характеристики наблюдения (RSP).
Появление для обеспечения функций АТМ нескольких типов систем или
процедур наблюдения в дополнение к существующим средствам наблюдения
приводит к усложнению аэронавигационной системы. Естественно, было бы
идеальным использовать одну систему наблюдения, способную обеспечить
выполнение требований к наблюдению на всех этапах полета в районах
воздушного пространства всех типов. Однако с точки зрения экономической
эффективности обеспечение наблюдения в условиях воздушного движения,
которые значительно различаются в районах с низкой и высокой плотностью
движения, требуются системы наблюдения с различными характеристиками и
возможностями. До того момента, пока одна система наблюдения не сможет
обеспечить выполнение всех требований, авиационное сообщество будет
рассматривать все варианты. Хотя наличие альтернативных возможностей
наблюдения обеспечивает гибкость процесса планирования, это осложняет
согласование функций наблюдения. Одно из решений, направленное на
упрощение
планирования,
соответствующих
характеристик
будет
заключаться
эксплуатационных
наблюдения.
в
преобразовании
требований
Получаемые
в
в
всех
серии
параметров
результате
требуемые
характеристики наблюдения (RSP) будут представлять собой перечень
обоснованных
количественных
требований
к
таким
характеристикам
наблюдения, как пропускная способность, готовность, точность, частота
обновления
и
т.д.
эксплуатационного
После
сценария
установления
в
перечня
рассматриваемом
RSP
районе
для
условий
воздушного
пространства, любая одна система или сочетание систем наблюдения,
отвечающих этому перечню параметров, могут считаться приемлемыми для
целей эксплуатации.
41
В таблице 1.12. в общих чертах приведены задачи, относящиеся к
компоненту наблюдения в рамках концепции CNS/ATM.
Правовые рамки для внедрения GNSS
Эксплуатантам воздушных судов и органам обслуживания воздушного
движения
часто
приходится
пользоваться
навигационными
сигналами,
поступающими от других государств. Когда GNSS станет основным средством
аэронавигации, зависимость от иностранных систем усилится. В такой ситуации
необходимо иметь гарантии в отношении доступности, непрерывности и
надежности обслуживания GNSS.
Юридическое управление ICAO ведет разработку правовых аспектов
систем CNS/ATM, связанных главным образом с глобальной навигационной
спутниковой системой.
Признанно, что юридических препятствий к внедрению систем CNS/ATM
не имеется, и ничто в концепции CNS/ATM не противоречит Конвенции о
международной гражданской авиации. Важным вкладом ICAO в разработку
концепции GNSS стало принятие 9 марта 1994 г. “Заявления о политике ICAO в
области внедрения и эксплуатации систем CNS/ATM”. В Заявлении Совета
ICAO, по данному вопросу, провозглашается принцип всеобщей доступности на
недискриминационной основе всех видов аэронавигационного обслуживания,
предоставляемого при помощи систем CNS/ATM. В этом Заявлении Совет ICAO
также констатирует, что внедрение и эксплуатация систем CNS/ATM, которые
государства обязуются предоставлять в соответствии со ст. 28 Чикагской
Конвенции, не ущемляют и не ограничивают суверенитета, полномочий или
ответственности
государств,
связанных
с
управлением
аэронавигацией,
опубликованием и обеспечением правил безопасности полетов.
Принцип
всеобщей
доступности
на
недискриминационной
основе,
зафиксированный в Чикагской Конвенции и практике ICAO, приобретает
особую важность применительно к спутниковым навигационным системам в
отличие
от
спутников
связи,
потому,
42
что
коммерческие
поставщики
обслуживания
спутниковой
связи
(например,
INMARSAT)
изначально
предусматривают в своих уставных документах доступ к обслуживанию без
какой либо дискриминации. Несколько иначе обстоит дело с навигационными
спутниками. Возможностей выбора поставщика систем спутниковой навигации
и коммерческой конкуренции в этой области пока не существует. И
потенциальные гражданские пользователи GNSS и государства выказывают
обоснованную обеспокоенность, касающуюся гарантии доступа к таким
системам и непрерывности обслуживания.
Вопрос о непрерывности обслуживания тесным образом связан с вопросом
доступа на недискриминационной основе. При установлении GNSS основным
средством
аэронавигации,
и
устарении
традиционных
наземных
аэронавигационных систем, прекращение обслуживания GNSS, если решение об
этом будет принято в одностороннем порядке государством-поставщиком,
может теоретически вынудить пользователей обратиться к избыточным и
резервным системам, что чревато неудобствами и экономическими потерями в
долгосрочном плане.
Концепция непрерывности может трактоваться с технической или
юридической точек зрения. В юридическом смысле непрерывность может
трактоваться как принцип недопущения приостановления модификации,
изменения или прекращения обслуживания по военным или бюджетным
соображениям или другим причинам нетехнического характера. Это означает,
что
государство,
предоставляющее
обслуживание
GNSS,
обеспечивает
непрерывность, эксплуатационную готовность, точность и надежность такого
обслуживания и обеспечивают соответствие такого обслуживания Стандартам
ICAO.
Государства
своевременно
предоставляют
аэронавигационную
информацию о любом изменении обслуживания GNSS, которое может
отразиться на предоставлении обслуживания.
Принцип полного и исключительного суверенитета государств над
воздушным пространством над их территорией является основным принципом
международного воздушного права, признанного в Чикагской Конвенции. При
внедрении концепции CNS/ATM в Европейском регионе, предпочтение будет
43
отдаваться принципу “One Sky for Europe” в отличие от воздушного
пространства,
разделяемого
районами
полетной
информации
или
государственными границами. Например, одно средство АТМ может охватывать
целый регион, заменяя при этом множество других средств, выполняющих ту же
задачу. С практической точки зрения при внедрении GNSS требуется
сбалансированный учет необходимости уважения суверенитета государств, с
одной стороны, и расширения использования современных технологий в
области CNS/ATM с другой.
44