ДОКЛАД «Технология VDL-2»

Семинар
«Готовность технологий CNS/ATM, реализующих передачу
данных в целях организации воздушного движения,
к внедрению в гражданской авиации России»
ДОКЛАД
«Технология VDL-2»
Главный конструктор радиостанции «Орлан-85СТД»
Алексей Федорович Мосин
Ведущий инженер, руководитель группы
Владислав Валерьевич Горшенин
Москва
11 апреля 2007г.
1
Основные принципы построения радиостанции с режимом VDL-2
Обзор системы
Цифровой УКВ канал передачи данных режима 2 (VDL-2) является одним из
каналов сети авиационной электросвязи (ATN), основанной на 7-уровневой модели
взаимодействия открытых систем (OSI) ISO.
Канал VDL-2 выполняет функции трех нижних уровней модели OSI (рис. 1-1).
• Уровень 1 (физический) обеспечивает управление частотой передачи, модуляцию и
демодуляцию сигнала, а также функции уведомления.
Руководящие документы определяют модуляцию VDL-2 как дифференциальную
восьмипозиционную манипуляцию фазовым сдвигом (D8PSK) со скоростью
10,5 кБод или 31,5 кбит/с.
• Уровень 2 (канальный) обеспечивает надежную передачу пакетов данных и доступ к
физическому каналу, он разделяется на два подуровня и объект управления.
Подуровень управления доступом к среде передачи (MAC) использует метод
множественного доступа с контролем занятости (CSMA).
Подуровень услуг канала данных (DLS) использует протокол управления
авиационным ОВЧ каналом (AVLC), являющийся частным случаем
высокоуровневого протокола управления каналом передачи данных (HDLC или ISO
3309). Главные функции этого протокола – сборка и разборка кадров, обнаружение
и исправление ошибок, повторная передача искаженных кадров.
Объект управления каналом (LME) обеспечивает установку канала.
• Уровень 3 (сетевой) обеспечивает доступ к подсети ATN и определяется ISO 8208.
Этот протокол используется также в сетях Х.25 и отвечает за передачу пакетов в
сети, восстановление в случае ошибок, управление потоком данных, фрагментацию
и сборку пакетов, а также управление соединениями. Кроме основного режима
связи точка-точка обеспечивается также однонаправленная широковещательная
передача от наземной станции к нескольким бортовым.
VDL-2
Верхние
уровни ISO
1.1
Приложение
Представление
Сеанс
Транспортировка
Межсетевой обмен
ISO 8208
LME
DLS (AVLC)
MAC (CSMA)
D8PSK 31,5 Кбит/с
Уровень 7
Уровень 6
Уровень 5
Уровень 4
Уровень 3
Уровень 2
Уровень 1
Рисунок 1-1: Соответствие уровней VDL-2 уровням ATN/OSI
Основной чертой VDL-2 является значительное повышение пропускной способности
канала и эффективности использования радиочастотного спектра. В силу этого
преимущества предполагается, что VDL-2 заменит имеющиеся системы ACARS. Однако,
в течение переходного периода существует возможность использования физического
канала VDL-2 в существующих системах.
1.2
Руководящие документы
Требования к бортовой радиостанции с режимом VDL-2 определяются следующими
документами:
Технология VDL-2
2
1. ARINC Characteristic 750. VHF data radio
2. EUROCAE ED-92. Minimum operational performance specification for an airborne
VDL mode-2 transceiver operating in the frequency range 118 – 136.975 MHz
3. DO-281. Minimum operational performance standards for aircraft VDL mode 2 physical,
link, and network layer.
4. RTCA DO-224A. Signal-in-space minimum aviation system performance standards
(MAPS) for advanced VHF digital data communication including compatibility with
digital voice techniques.
5. ARINC Report 604. Guidance for design and use of built-in test equipment.
1.3
Возможные конфигурации оборудования
В руководящих документах определяются две основных конфигурации бортовых
систем VDL-2 для ОВЧ-радиоканала: раздельная и интегрированная.
В первом случае функции системы разделяются между бортовой радиостанцией
(VDR) и блоком управления соединениями (CMU). При этом радиостанция выполняет
функции двух нижних уровней: физического (VDL-L1) и части канального (VDL-L2a).
Блок управления соединениями выполняет оставшиеся функции канального (VDL-L2b) и
функции сетевого уровня (VDL-L3). Взаимодействие осуществляется через
высокоскоростной стык ARINC-429 с использованием бит-ориентированного протокола
передачи файла (ARINC-429-3) и протокола ASIP, определенного в ARINC-750. Данный
вариант построения представлен на рис. 1-2 и соответствует рекомендациям ARINC-750.
Функции
управления
CMU
Верхние уровни
VDR
Функции VDL-2
VDL-L3
УКВ
антенна
Другие функции
VDL-L2b
ASIP
ASIP
429-W
429-W
VDL-L2a
429
429
VDL-L1
Класс Z
Класс Y
Рисунок 1-2: Раздельная конфигурация системы VDL-2
Во втором случае (рис. 1-3) все функции интегрированы в одном устройстве,
совмещающем радиостанцию и блок управления соединениями. Для управления
функциями речевой связи предполагается наличие пульта управления. Однако,
имеющиеся руководящие документы не определяют, как будет осуществляться
взаимодействие с внешним оборудованием.
Технология VDL-2
3
Функции
управления
Верхние уровни
Функции VDL-2
VDL-L3
УКВ
антенна
Другие функции
VDL-L2
VDL-L1
Класс X
Рисунок 1-3: Интегрированная конфигурация системы VDL-2
Зарубежный опыт разработки оборудования VDL-2, отраженный в рекомендациях
ARINC и RTCA, показывает, что наиболее востребованы радиостанции, совмещающие
традиционные режимы речевой связи (DSB-AM) и передачи данных (ACARS) с
перспективными режимами VDL-2 и VDL-3. Это позволяет внедрять новые технологии по
мере необходимости, а также улучшать массогабаритные характеристики и обеспечивать
резервирование оборудования.
В настоящее время зарубежными (в основном американскими) фирмами
разработаны и выпускаются радиостанции с режимом VDL-2. Это радиостанции Rockwell
Collins VHF-920 и VHF-4000, а также Honeywell RTA-50D. Все указанные радиостанции
соответствуют раздельной конфигурации, определяемой ARINC-750. По имеющимся
данным, стоимость радиостанции составляет от 30 до 50 тыс. USD.
1.4
Основные требования к радиостанции
В соответствии с ARINC-750 бортовая радиостанция МВ диапазона с режимом
VDL-2 должна обеспечивать:
- двустороннюю симплексную речевую связь экипажа с наземными службами
ОрВД, а также между экипажами самолетов в воздухе, при работе с сеткой частот
25 и 8,33 кГц, в том числе в режиме со смещенными несущими;
- автоматизированный обмен данными в линиях «земля-воздух» и «воздух-земля» со
скоростью 2400 бит/с при использовании встроенного или внешнего модема
AM-MSK для работы в системе ACARS;
- автоматизированный обмен данными в линиях «земля-воздух» и «воздух-земля» со
скоростью 31500 бит/с при использовании встроенного модема D8PSK для работы
в системе ATN;
- непрерывный контроль исправности радиостанции с точностью до оперативно
сменного блока, с сохранением информации об обнаруженных неисправностях на
последних 10 участках полета в энергонезависимой памяти, а также
взаимодействие с бортовым модулем технического обслуживания или системой
локализации отказов.
Технология VDL-2
4
Технические требования к радиостанции в режиме VDL-2, определяемые ED-92 и
DO-281, гарантируют электромагнитную совместимость при работе на одном борту и в
одном диапазоне частот нескольких радиостанций с режимами аналоговой и цифровой
связи, а также взаимозаменяемость оборудования различных производителей. Таким
образом, соответствие этим требованиям является главной задачей разработки.
2
Текущее состояние разработки
Разработка радиостанции «Орлан-85СТД» началась в 2001г., в рамках ОКР
«Разработка бортовых авиационных ДКМВ и МВ радиостанций телефонной связи и
приёма-передачи данных в сетях HFDL», финансируемой Российским агентством по
системам управления, в рамках федеральной целевой программы «Создание технических
средств связи, телевидения и радиовещания». Так как работа не была профинансирована в
требуемом объеме, в течение полутора лет, определяемых договором, был создан макет
радиостанции и отработаны методики испытаний. В дальнейшем работа проводилась за
счет собственных средств предприятия.
На сегодняшний день разработана конструкторская документация, которая
согласована с представителем заказчика на предприятии. Изготовлены опытные образцы
радиостанции, на которых проведены лабораторные испытания. В ходе испытаний были
получены требуемые значения основных технических характеристик, но также выявлены
проблемы, связанные обеспечением устойчивости передающего тракта при пониженной
температуре окружающей среды. Для их устранения в настоящее время проводится
коррекция аппаратной части и конструкторской документации.
Для сертификации радиостанции была подана заявка в Авиационный регистр МАК,
при этом выяснилось, что национальных квалификационных требований на этот режим не
существует. Нами разработаны и согласованы на рабочей группе, назначенной
Авиационным регистром, Квалификационные требования КТ-23-04 «Требования к
эксплуатационным характеристикам бортового приемопередатчика УКВ-линии цифровой
связи режима 2, работающего в частотном диапазоне 118 – 136,975 МГц (Физический
уровень)», а также план-проспект сертификационного базиса, который в настоящее время
находится на согласовании в ГосНИИ «Аэронавигация». Кроме того, разработана и
согласована программа предварительных испытаний, которые планируется начать после
завершения коррекции документации и доработки опытных образцов.
Для проведения испытаний в режиме VDL-2 требуется специализированное
дорогостоящее оборудование. Для контроля параметров передатчика нами закуплены
анализаторы сигнала и специальное программное обеспечение фирмы Agilent. В
настоящее время приобретается векторный генератор для контроля параметров
приемника.
Кроме того, в соответствии с Квалификационными требованиями в процессе
испытаний необходим имитатор оборудования верхнего уровня, т.е. аппаратура передачи
данных соответствующая рекомендациям ARINC-758. Нами разработан имитатор блока
управления соединениями (CMU) на базе компьютера, поддерживающий работу по
протоколу ASIP в соответствии с рекомендациями ARINC-750. Следует отметить, что
имеющаяся в настоящее время аппаратура передачи данных «Брик-324», разработанная
НПП «Полет», позволяет использовать нашу радиостанцию только в режиме ACARS при
работе с внешним модемом и не поддерживает протокол ASIP.
Для обеспечения взаимодействия с комплексными пультами управления
КПРТС-95М-1 и системой локализации отказов ССЛО-95 были разработаны и
согласованы с НИИАО соответствующие протоколы. В настоящее время программное
обеспечение радиостанции готово для проведения стыковочных испытаний.
Технология VDL-2
5
Так как для сертификации радиостанции требуется также сертификация
программного обеспечения, нами ведутся работы по разработке программной
документации в соответствии с КТ-178В.
3
Структурная схема и конструкция радиостанции
3.1
Конструкция радиостанции
Радиостанция состоит из отдельных, конструктивно законченных блоков:
приемопередатчика, пульта дистанционного управления и рамы амортизационной.
Приемопередатчик может устанавливаться на раму или стеллажное устройство. Пульт
дистанционного управления размещается на приборной доске в кабине экипажа. Общий
вид радиостанции приведен на рисунке 2-1.
3
2
1
Рисунок 2-1: Общий вид радиостанции
c - Пульт дистанционного управления
d - Рама амортизационная
e - Приемопередатчик
В состав приемопередатчика входят следующие субблоки (см. рисунки 2-2, 2-3):
приемник, синтезатор-возбудитель, усилитель мощности, блок питания, блок управления
и обработки сигналов (БУОС), плата кросс. Все блоки съемные и крепятся к корпусу
приемопередатчика винтами. Корпус является несущим элементом конструкции
приемопередатчика и изготовлен из алюминиевого сплава. Для обеспечения тепловых
режимов передняя часть корпуса выполнена в виде радиатора.
В верхней части корпуса находится блок усилителя мощности. Печатная плата
крепится к литому радиатору. Блок сочленяется с платой кросс с помощью разъема типа
СНП-268 и крепится винтами к корпусу.
Технология VDL-2
6
Корпус разделяет внутренний объем приемопередатчика на два отсека. В правом
отсеке непосредственно к перегородке корпуса крепятся платы приемника и фильтракоммутатора. В левом отсеке расположены БУОС и синтезатор-возбудитель, которые
сопрягаются с помощью разъемов типа PВD с платой кросс. Правый и левый отсеки
закрываются крышками, каждая из которых крепится шестью невыпадающими винтами.
На задней стенке корпуса приемопередатчика установлен стандартный разъем для
подключения к бортовой проводке. Разъем может сочленяться с амортизационной рамой
или разъемом стеллажного устройства.
К передней стенке приемопередатчика крепится блок питания, который соединяется
с платой кросс с помощью разъема типа CНП-268. На лицевой поверхности блока питания
расположены светодиодные индикаторы исправности радиостанции, кнопка включения
режима контроля исправности и разъем RS-232 для подключения компьютера.
1
3
2
Рисунок 2-2: Приемопередатчик со снятой правой боковой крышкой
c Передатчик.
d Приемник.
e Блок питания.
Технология VDL-2
7
2
1
3
Рисунок 2-3: Приемопередатчик со снятой левой боковой крышкой
c
d
e
Блок управления обработки сигнала.
Плата кросс.
Синтезатор – возбудитель.
Пульт дистанционного управления выполнен на двух печатных платах. Спереди на
основании расположена плата управления и индикации, на которой размещены цифровые
индикаторы, переключатели набора частоты, тумблеры ПШ и АП, индикатор АС и
лампочки подсвета. На второй плате расположен блок питания.
ПДУ закрывается защитным кожухом, который крепится к основанию винтами. В
основании сделаны резьбовые отверстия для крепления ПДУ на самолете. Сзади на
основании расположен разъем СНЦ 23–28/27–В–1–В для подключения пульта к бортовой
проводке.
Внешний вид ПДУ изображен на рисунке 2-4.
Технология VDL-2
8
1
3
2
7
6
5
8
4
Рисунок 2-4: Внешний вид пульта управления
c
d
e
f
g
h
i
j
Два 6-разрядных индикатора рабочей и резервной частоты.
Кнопка КАНАЛ для перехода в режим набора / выбора / программирования
частот.
Кнопка РЕЗ, переход на резервный канал.
Переключатель кГц.
Переключатель АП, включение/выключение режима контроля наличия
сигнала на аварийной частоте 121,5 МГц.
Переключатель ПШ, включение/выключение подавителя шума.
Переключатель МГц.
Светодиод АП, индицирующий наличие сигнала на аварийном канале.
Амортизационная рама изготовлена из листового алюминиевого сплава. На
основании рамы, спереди установлены замки крепления приемопередатчика, снизу
амортизаторы типа АПН и земляная шина.
Сзади на распределительной коробке установлен разъем сочленения с
приемопередатчиком. Сверху распределительной коробки установлены разъемы типа
СНЦ-23 и СР-50 для соединения с бортовыми кабельными сетями. Также на раме имеется
контрольный разъем для подключения испытательного оборудования в условиях
мастерской.
3.2
Функциональная схема радиостанции
Функциональная схема приемопередатчика радиостанции приведена на рисунке 2-5.
Приемопередатчик состоит из следующих субблоков:
- платы кросс;
- синтезатора-возбудителя;
- передатчика;
- приемника;
- БУОС;
- блока питания.
Все субблоки выполнены в виде функционально законченных модулей.
Низкочастотные соединения обеспечиваются платой кросс. Высокочастотные соединения
выполнены ВЧ кабелями непосредственно между субблоками.
Технология VDL-2
9
От опорного генератора, расположенного в синтезаторе-возбудителе, частота 9,6
МГц поступает на плату кросс для формирования тактовых частот микроконтроллеров.
В приемник из синтезатора-возбудителя поступает частота гетеродина Fг = Fc + 20
МГц, где Fc – рабочая частота радиостанции.
В режиме передачи из синтезатора-возбудителя на усилитель мощности поступает
модулированный ВЧ-сигнал на рабочей частоте радиостанции. Усиленный до заданной
мощности, сигнал подается на фильтр-коммутатор и затем на антенный выход
радиостанции. Из фильтра-коммутатора на синтезатор-возбудитель подается ВЧ-сигнал
обратной связи для компенсации искажений усилителя мощности и регулировки уровня
мощности.
В режиме приема сигнал на рабочей частоте радиостанции поступает из фильтракоммутатора на вход приемника.
Обмен сигналами с внешней аппаратурой осуществляется через внешний разъем
приемопередатчика, соединенный с платой кросс.
к антенне
гетеродин
Передатчик
и коммутатор
Приемник
Блок
питания
Плата кросс
9,6 МГц
Синтезатор
БУОС
возбудитель
Pос
Рисунок 2-5: Блок-схема радиостанции
4
Функциональные возможности радиостанции
Для работы в сети авиационной радиотелефонной связи радиостанция обеспечивает
симплексную передачу речи. Модуляция сигнала – амплитудная, с двумя боковыми
полосами. Частотный разнос между каналами 25 или 8,33 КГц. Также обеспечивается
прием сигнала со смещенной несущей.
Совместно с внешним модемом AM-MSK радиостанция может использоваться для
работы в существующих сетях передачи данных ACARS (Aircraft Communication
Addressing and Reporting System). При этом она полностью соответствует рекомендациям
ARINC-716 и ARINC-597.
Технология VDL-2
10
Радиостанция также может использоваться для работы в перспективных сетях
передачи данных ATN (Aeronautical Telecommunications Network), использующих ОВЧканалы передачи данных в режиме 2 (VDL-2). При этом она соответствует рекомендациям
ARINC-750, ED-92, DO-281 и DO-224. Для взаимодействия с внешней аппаратурой
обмена данными могут использоваться два высокоскоростных (100 кбит/с) стыка
ARINC-429 с поддержкой протокола передачи файлов.
В дополнение к основным, радиостанция обеспечивает ряд дополнительных
режимов и сервисных функций.
Имеется возможность ограничения времени передачи и снижения мощности
передатчика при подаче внешних команд.
При работе в режиме речевой связи включение тумблера АП на пульте управления
включает режим прослушивания аварийного канал 121,500 МГц с сохранением всех
функций на рабочем канале. При наличии аварийного сигнала в телефоны авиагарнитуры
подается специальный звуковой сигнал и загорается индикатор АС на пульте управления.
В радиостанции имеется система встроенного самоконтроля, позволяющая
определять неисправности оперативно сменных блоков при включении питания, во время
работы, при нажатии кнопки «Контроль» на лицевой панели приемопередатчика или по
внешней команде. Информация об исправности блоков радиостанции отображается
индикаторами на лицевой панели приемопередатчика, а также передается по отдельным
линиям в ССЛО и КИСС. Кроме того, радиостанция сохраняет информацию об
обнаруженных неисправностях на 10 последних участках полета и обеспечивает
взаимодействие с бортовым модулем технического обслуживания в соответствии с
рекомендацией ARINC-604.
5
Основные технические характеристики радиостанции
5.1
Технические характеристики радиостанции в режимах аналоговой связи
Основные технические характеристики радиостанции для режима речевой связи и
режима ACARS при работе с внешним модемом соответствуют рекомендациям
ARINC-716 и ARINC-750, а также требованиям главы 8 ЕНЛГ-С и DO-186A.
5.2
Технические характеристики радиостанции в режиме цифровой связи
Основные технические характеристики радиостанции в режиме VDL-2
соответствуют требованиям ED-92, DO-281, а также Квалификационным требованиям
КТ-23-04 «Требования к эксплуатационным характеристикам бортового приемопередатчика УКВ-линии цифровой связи режима 2, работающего в частотном диапазоне
118 - 136,975 МГц (Физический уровень)».
5.3
Габаритные размеры и масса радиостанции
Габаритные размеры радиостанции соответствуют рекомендациям ARINC-600
(размер 3MCU), а также требованиям ГОСТ 26765.16-87.
Масса приемопередатчика радиостанции составляет 5,5 кг.
Технология VDL-2
11