возможные пути решения (Э. Фальков, ГосНИИАС)

ГосНИИ авиационных систем (ГосНИИАС)
Э.Я.Фальков
Интеграция дистанционно пилотируемых
авиационных систем (ДПАС)
в гражданское воздушное пространство – некоторые
проблемы и возможные пути решения;
самоорганизующиеся воздушные сети (СВС);
математическое моделирование использования СВС
при управлении воздушным движением;
требования к СВС с точки зрения организации полетов
ДПАС в гражданском воздушном пространстве.
29/08/2013
Авионика и CNS/ATM, МАКС 2013
1
Предмет рассмотрения
• Полеты ДПАС в воздушном пространстве
классов А – С по правилам IFR
(инструментальные правила полетов)
• Полеты в специально выделенном воздушном
пространстве (segregated airspace)
не рассматриваются
• В остальных классах, включая класс G: хорошо бы
решить все и сразу, но на ближайшие годы, а может
быть, навсегда, это невозможно
К вопросу о Detect and Avoid в классе G
• Ставится задача ДПАС летать в классе G.
• Достаточно часто делаются инстинктивные попытки повторить пилота
на борту ДПВС и повторить т.н. зрительный анализатор, в т.ч«глаза пилота», и,
в частности, установить на борту устройств формирования изображения
(ТВ, FLIR и пр.).
• После получения изображения на борту ВС возникают две тупиковые возможности:
1) обработать изображения на борту, принять решение и послать полученный
результат о принятом решении пилоту ДПВС; вопросы связи в этом случае не
вызывают проблем, но имеются большие сомнения относительно надежности
автоматического принятия решений на борту ВС;
ножницы при достижении достижимого и требуемого результата
2) послать изображение пилоту ДПВС в широкой полосе частот, чтобы принять
решение на СДП. Широкие полосы частот сейчас в УВД не применяются; в будущем
это можно будет разрешить с помощью “AeroMax” (только для движения
по поверхности). Для ДПВС в воздухе решения не видно. Пилотируемой авиации
это не нужно.
• Обе возможности весьма проблематичны.
• Но гораздо большие проблемы – увидеть ДПВС пилотом авиации общего
назначения.
Вывод: до получения опровергающих результатов не разрешать ДПАС летать
в классе G.
ДПАС: голосовая связь и данные от/к системе УВД
Где делать шлюз?
• ИКАО: Голосовые УКВ сообщения от УВД к дистанционному пилоту поступают на ДПВС,
преобразуются в цифровую форму и транслируются на СДП по ЛПД С2.
Голосовые сообщения от ДП к УВД преобразуются в цифровую форму на СДП,
посылаются на ДПВС по каналу С2, преобразуются в аналоговые голосовые сообщения
и передаются по УКВ радио – шлюзы на каждом ДПВС.
• Асимметричный метод (персонал УВД посылает и получает голосовые сообщения
в аналоговой форме, ДП делает то же самое в цифровой форме) поддерживает ся
желанием не изменять оборудование и процедуры УВД в глобальном масштабе.
• Но это значительно усложняет оборудование всех ДПВС, больших и малых,
и должно выполняться с учетом ограничений по массе, размеру, расположению,
электроснабжению, управлению, обслуживанию и пр.
• Другой возможный метод: голос на пути от УВД к СДП преобразуется в цифровую
форму не на борту ДПВС, а в наземной службе УВД; далее – все в цифровом виде.
• Конечно, это потребует установки определенного нового сертифицированного
оборудования в УВД (точнее, не в УВД, а поблизости), где будут применяться
две частоты для голоса – одна УКВ для аналоговой голосовой связи на пилотируемых
ВС с организацией линий прослушивания, а другая (возможно, не УКВ) – для цифровой
голосовой связи по каналу С2 для ДП с помощью ретрансляции (в цифре) посредством
ДПВС.
• Применять цифровую голосовую связь проще и эффективнее; это общепринятый
способ в звуковой индустрии и в беспроводной телефонной связи.
Вместо множества шлюзов на каждом ДПВС – один
наземный шлюз, связанный с УВД
• Новое оборудование, предназначенное для УВД, не оказывает влияния
на эксплуатацию пилотируемых ВС и будет касаться только действий ДПАС.
• Помимо УКВ голосовой связи также должна бытьорганизована трансляция данных
УВД от УВД на СДП с помощью канала С2.
• Необходим шлюз между связью УВД (голосовой и данных) и каналом С2,
и можно рассмотреть два подхода.
• Первый – ничего не менять в оборудовании УВД и возложить всю тяжесть задачи
на ДПВС при существенных ограничениях.
• Второй – упростить бортовую часть и передать часть заданий на землю,
не в службу УВД, а в некоторые наземные модули ДПАС УВД, что абсолютно не влияет
на организацию полетов пилотируемых ВС, а в части ДПАС доставляет информацию
в обоих направлениях – от ДПАС в УВД для построения полной картины УВД
и от УВД к ДП для выполнения полетов под полным контролем УВД.
• Вместо множества шлюзов на борту ДПВС применяется один общий наземный шлюз.
ДПАС УВД модуль для двустороннего
приема/передачи голоса и данных УВД (ATN patch)
RLOS: СДП и ДПВС в прямом доступе (Linkd - прямой канал)
RPA
C2 Linkd
RPS
BRLOS: доступ СДП к ДПВС через спутник
(Links - спутниковый канал)
RPA
C2 Links
RPS
Долой монополию!
• Могут быть и другие способы взаимодействия ДПВС и СДП друг с другом
и с пользователями воздушного пространства.
• Например, ДПВС1 управляется СДП1, а ДПВС2 управляется СДП2.
Данные о положении ДПВС1 может получить СДП2, а данные о положении
ДПВС2 может получить СДП1. В результате и СДП1 и СДП2 могут получить
информацию о ситуации от обоих ДПВС.
• Это условие может распространяться на множество ДПВС и другие ВС,
оснащенных таким же образом, что повысит общую ситуационную
осведомленность.
• Для данного примера передача информации на землю от ДПВС должна быть
организована следующим образом:
- (i) данные о положении передаются в режиме вещания,
- (ii) данные от ДПВС к своей СДП о статусе механизмов, определяющих
поведение ДПВС, информация по встроенному контролю и др. могут
передаваться в режиме радиовещания или в сквозном
(на соответствующую СДП) режиме
Не только получать/посылать собственные,
но и ретранслировать чужие сообщения
• Одним из важных моментов обеспечения интеграции ДПАС в гражданское
воздушное пространство является требование иметь надежную связь
между СДП и ДПВС.
• Когда какое-либо ДПВС способно быть соединенным
со своей СДП не только напрямую, но также и через некоторые другие
надежные/запасные пути, робастность функционирования ДПАС в гражданском
воздушном пространстве существенно повышается.
• Когда какое-либо ДПВС способно получать данные не только от своего СДП
и передавать не только данные о собственном ДПВС,
фактически предоставляется функция ретранслятора в режиме переприема
через ДПВС.
• В этом случае СДП может посылать контрольный сигнал для модификации
поведения ДПВС не только напрямую, но и с помощью одного или более ДПВС,
действующих как находящаяся в воздухе ретрансляционная станция/станции.
• Вместо ДПВС могут применяться и другие ВС, если они оснащены
надлежащими транспондерами канала С2.
Воздушная сеть обеспечивает робастность связи
• При получении информации от окружающих ВС, использовании ее
для ситуационной осведомленности и самоэшелонирования
(фактически являющегося фундаментом для построения последующих
систем Detect and Avoid), повторной передачи этих данных и передачи
данных о собственном положении на все оборудованные ВС, СДП и УВД,
ДПВС будет действовать как узел воздушной сети.
• Одно из важных свойств такой сети – робастность (повышенная
устойчивость к помехами и к различного рода сбоям).
• ДПВС может получать управляющие сигналы/посылать статусную
информацию не только напрямую от своего СДП, но и от находящихся
поблизости ДПВС (действующих как ретрансляционные станции),
при необходимости, несколькими дополнительными путями.
• Воздушная сеть должна удовлетворять ряду описанных ниже требований,
это же соответственно относится и каналу С2.
BRLOS: доступ СДП к ДПВС в воздухе (RPAr - ДПВС-ретранслятор
или любое оборудованное воздушное судно, Linka -канал
ретрансляции в воздухе)
RPAr
RPA
C2 Linka
RPS
В случае воздушной связи метка BRLOS содержит всю информацию об имеющейся
воздушной сети между СДП и ДПВС (карту сети); количество скачков «борт-борт»
и запаздывание сигнала минимизированы и известны.
BRLOS: доступ СДП к ДПВС через воздушную сеть
RPAr
RPArRRRAr
C2 Linka
RPA
RPAr
RPS
Требования к воздушной сети (1)
• Основная функция воздушной сети (A-network) – обеспечить обмен информацией
между объектами в пределах зоны обычного радиодоступа.
К этим объектам могут относиться любые пилотируемые и беспилотные ВС,
движущиеся и стационарные наземные и надводные устройства (передатчики/
приемники), снабженные аппаратурой (HW) и /или программным обеспечением (SW)
для выполнения функций коммутируемых сетевых узлов.
• Все объекты A-network имеют привязку по координатам времени, например,
с помощью GNSS.
• Зона обычного радиодоступа – это область, где каждый объект имеет радиодоступ
по крайней мере к одному соседнему объекту.
• Вся циркулирующая в сети информация доступна для всех пользователей (узлов).
• При необходимости, каждый пользователь способен посылать данные в сквозном
режиме.
• Обмен информацией ведется в пакетном режиме.
• При отсутствии прямого радиодоступа между объектами информация передается
(транслируется) через другие объекты.
Требования к воздушной сети (2)
• Для подавления ложных имитируемых сигналов и обращения в системе
«обнаружить и уклониться», время отправки каждого пакета соотносится
со шкалой времени; это время включается в пакетное сообщение.
• Время прихода сигнала определяется при получении сигнала.
Разница между временем отправки и получения сигнала позволяет
вычислить расстояние между отправителем и получателем.
• Функции маршрутизации и коммутации пакетов возлагаются на
HW/SW A-network, которая обеспечивает протоколы координации
взаимодействия, поиск назначенных объектов, создание, обеспечение
и контроль целостности пакетов.
• Для случая, когда все узлы сети используют одну и ту же частоту для получения
и отправки сообщений, после получения данных узел должен хранить
их до передачи.
• Работу сети следует организовать так, чтобы сократить время
хранения данных во всех узлах, участвующих в цепи трансляции по доставке
данных в нужный узел.
Требования к воздушной сети (3)
• A-network построена по принципу самоорганизации; она хранит и регулярно
обновляет карту A-network, включающую:
-текущую архитектуру сети в форме географических координат доступных
для соединения объектов и их взаимодействия;
-таблицу расстояний между объектами, вычисленных по их географическим
координатам;
-таблицу расстояний между объектами, вычисленных по измеренной
величине времени распространения сигнала между объектами;
-таблицу явных несоответствий между расстояниями, определенными
по координатам и времени распространения;
- таблицу пропускной способности каналов связи между объектами;
-базу данных о местности и препятствиях для прогноза границ зоны прямого
- радиодоступа.
• Сетевые адреса (номера) объектов с географической, временной и сетевой
привязкой известны всем объектам сети.
Требования к воздушной сети (4)
A-network обеспечивает следующие дополнительные функции электросвязи:
a) Поиск объекта в A-network. Когда надо передать информацию на конкретный
объект, можно применять «штурмовой» принцип, то есть послать запрос в режиме
вещания, защищенном от повторного вещания в том же канале между узлами.
b) Приoритеты сообщений определяются, исходя из содержания. Часть карты
A-network для объекта позволяет маршрутизацию сообщения «вручную»
или автоматическую в зависимости от ранга сообщения.
• Срочные (или критичные ко времени доставки) сообщения направляются
согласно минимальному количеству трансляционных станций.
• Сообщения, требующие повышенной достоверности, направляются по кратчайшим
возможным путям, обладающим наивысшей устойчивостью к помехам.
Маршрутизация сообщений, не требующих специального внимания, осуществляется
Таким образом, чтобы минимизировать потери пропускной способности
каналов между узлами.
Требования к воздушной сети (5)
с)Организация голосового обмена плюс к обмену данными;
голосовые сети и сети данных используют разные частоты в соответствии
с планами частот; если необходимо, A-network управляет переключением
узлов для голосовой связи.
d) Возможность посылать голосовые сообщения в режиме вещания
(реализация функции спаренной линии («Party line»), используя свойства
A-network для организации голосовой связи).
e) Способность хранить информацию, полученную ранее от других объектов,
когда ДПВС находится вне A-network, и доставлять ее в A-network в пределах
зоны доступа (почтовая служба).
f) Возможность защитить переданную информацию от несанкционированного
доступа, замены, перехвата, ввода ложной информации с целью проверки
подлинности сообщения
Голос и данные от/к УВД через спутник
Избежать задержки от спутников:
линейные воздушные сети
RPAr
RPA
C2 Linka
VHF Voice
RPAr
VHF Voice
& Data
&
ATC
Робастные mesh сети
RPAr
RPA
C2 Linka
VHF Voice
RPAr
VHF Voice
& Data
RPAr
&
ATC
Сочетание ДПАС УВД модуля и
воздушной сети
Воздушно-космическая сеть
• Воздушные суда, входящие в воздушную сеть, функционируют и
взаимодействуют с УВД самостоятельно.
•АЗ Н-В сообщения от воздушных судов в УКВ диапазоне и 1090 МГц, не входящих
в сеть, поступают на низкоорбитальные спутники (Иридиум, Гонец) и
ретранслируются на наземные спутниковые приемные станции, откуда поступают
в систему УВД.
• Для получения информации эти воздушные суда ожидают вхождения в сеть.
• Глобальный характер применения.
• Прозрачный характер организации сети в случае использования
самоорганизующегося временного множественного доступа.
Входные данные flighradar24.com (полетные данные онлайн)
Построение маршрутов (пример)
Полёт AC029 Vancouver – Shanghai
UTC
00:00
01:00
01:30
02:10
02:30
03:20
Координаты,
°с.ш., в.д.
64.61,
173.6
64.5, 155.7
60.2, 148.8
56.2, 137.7
52.1, 134.1
48.1, 131
Высота, км
10,5
11
11
10,7
10,5
10,3
№
Name
Flight
1
node[0]
AC025 Vancouver – Shanghai
2
node[1]
AC029 Vancouver – Beijing
3
node[2]
SYL 499 Yakutsk – Ugolny
(Anadyr)
4
node[3]
AAR2453 Seattle - Seoul
5
node[4]
Yakutsk – Ugolny (Anadyr)
6
Stnode[0]
UAL7 Houston - Tokyo
7
Stnode[1]
UAL803 Washington - Tokyo
8
Stnode[2]
PO243 Cincinnati - Austin
9
Stnode[3]
CZ318 Los Angeles Guangzhou
Statnode[0]: Komsomolsk-on-Amur station; Statnode[1]:Ugolny (Anadyr) station
Approximation to real flight traffic
Моделирование сети, UTC = 00:00 22.05.13
Ugolny
(Anadyr)
Ugolny
(Anadyr)
AC025
Vancouv
er –
Shanghai
AC029
Vancouv
er –
Beijing
SYL 499
Yakutsk
– Ugolny
AAR245
3 Seattle
- Seoul
Yakutsk
– Ugolny
UAL7
Houston
- Tokyo
UAL803
Washing
ton Tokyo
PO243
Cincinna
ti Austin
CZ318
LA –
Guangzh
.
Komsom
olsk-onAmur
AC025
Vancouv
er –
Shanghai
AC029
Vancouv
er –
Beijing
SYL
499
Yakutsk
– Ugolny
AAR245
3 Seattle
- Seoul
Yakutsk
– Ugolny
UAL7
Houston
- Tokyo
UAL803
Washing
. - Tokyo
PO243
Cincinna
ti Austin
CZ318
LA –
Guangzh
.
Komsom
olsk-onAmur
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
⃝
Моделирование сети, UTC = 01:30 22.05.13
Ugolny
(Anadyr
)
Ugolny
(Anadyr
)
AC025
Vancouv
er –
Shangha
i
AC029
Vancouv
er –
Beijing
SYL 499
Yakutsk
–
Ugolny
AAR245
3 Seattle
- Seoul
Yakutsk
–
Ugolny
UAL7
Houston
- Tokyo
UAL803
Washing
t. Tokyo
PO243
Cincinna
ti Austin
CZ318
LA –
Guangzh
.
Komso
molskonAmur
Ugolny
(Anadyr
)
AC025
Vancouv
er –
Shangha
i
AC029
Vancouv
er –
Beijing
SYL
499
Yakutsk
–
Ugolny
AAR245
3 Seattle
- Seoul
Yakutsk
–
Ugolny
UAL7
Houston
- Tokyo
UAL803
Washing
.Tokyo
PO243
Cincinna
ti Austin
CZ318
LA –
Guangzh
.
Komso
molskonAmur
Ugolny
(Anadyr
)
-
-
Моделирование сети, UTC = 02:10 22.05.13
Ugolny
(Anadyr)
Ugolny
(Anadyr)
AC025
Vancouve
r–
Shanghai
AC029
Vancouve
r–
Beijing
SYL 499
Yakutsk –
Ugolny
AAR2453
Seattle Seoul
Yakutsk –
Ugolny
UAL7
Houston Tokyo
UAL803
Washingt
on Tokyo
PO243
Cincinnati
- Austin
CZ318
LA –
Guangzh.
Komsomo
lsk-onAmur
AC025
Vancouv
er –
Shanghai
AC029
Vancouv
er –
Beijing
SYL
499
Yakutsk
–
Ugolny
AAR245
3 Seattle
- Seoul
Yakutsk
–
Ugolny
UAL7
Housto
nTokyo
UAL80
3
Washin
g. Tokyo
PO243
Cincinn
ati Austin
CZ318
LA –
Guangz
h.
Komsomo
lsk-onAmur
-
-
-
-
Моделирование сети, UTC = 02:30 22.05.13
Ugolny
(Anadyr)
Ugolny
(Anadyr)
AC025
Vancouver
–
Shanghai
AC029
Vancouver
– Beijing
SYL 499
Yakutsk –
Ugolny
AAR2453
Seattle Seoul
Yakutsk –
Ugolny
UAL7
Houston Tokyo
UAL803
Washingto
n - Tokyo
PO243
Cincinnati
- Austin
CZ318 LA
–
Guangzh.
Komsomo
lsk-onAmur
Ugolny
(Anadyr)
AC025
Vancouv
er –
Shanghai
AC029
Vancouv
er –
Beijing
SYL 499
Yakutsk
– Ugolny
AAR245
3 Seattle
- Seoul
Yakutsk
– Ugolny
UAL7
Houston
- Tokyo
UAL80
3
Washin
g. Tokyo
PO243
Cincinn
ati Austin
CZ318
LA –
Guangz
h.
Komsomo
lsk-onAmur
Ugolny
(Anadyr)
-
-
-
Моделирование сети, UTC = 03:20 22.05.13
Ugolny
(Anadyr
)
Ugolny
(Anadyr)
AC025
Vancouve
r–
Shanghai
AC029
Vancouve
r–
Beijing
SYL 499
Yakutsk
– Ugolny
AAR245
3 Seattle Seoul
Yakutsk
– Ugolny
UAL7
Houston Tokyo
UAL803
Washingt
on Tokyo
PO243
Cincinnat
i - Austin
CZ318
LA –
Guangzh.
Komsom
olsk-onAmur
AC025
Vancou
ver –
Shangha
i
AC029
Vancou
ver –
Beijing
SYL
499
Yakutsk
–
Ugolny
AAR24
53
Seattle Seoul
Yakutsk
–
Ugolny
UAL7
Housto
nTokyo
UAL80
3
Washin
g. Tokyo
PO243
Cincinn
ati Austin
CZ318
LA –
Guangz
h.
Komsom
olsk-onAmur
-
-
-
Additional station on Kamchatka Peninsula
Использование вертолетов
Coverage area (1)
To determine the coverage area there is a need of taken to account the value of
desired probability of connectivity Pcon. Coverage area is defining by radio range R.
Pcon = 90%
R = 400 km
Covered area: 500 000 km2
Covered area: 700 000 km2
Neighboring nodes: 3
Neighboring nodes: 5
Coverage area (2)
To determine the coverage area there is a need of taken to account the value of
desired probability of connectivity Pcon. Coverage area is defining by radio range R.
Pcon = 99%
R = 400 km
Covered area: 300 000 km2
Covered area: 500 000 km2
Neighboring nodes: 3
Neighboring nodes: 5