Системы наблюдения за воздушной обстановкой

Размещено на http://www.allbest.ru/

СИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ВОЗДУШНОЙ ОБСТАНОВКОЙ

1. Классификация систем наблюдения за воздушной обстановкой

Все используемые в настоящее время и перспективные системы наблюдения за воздушной обстановкой, обозначенные Комитетом по будущим аэронавигационным системам FANS термином Surveillance System, разделяются на два основных типа:

- системы зависимого наблюдения;

- системы независимого наблюдения.

В системах зависимого наблюдения местоположение ВС или какого-либо другого транспортного средства определяется на борту, и затем полученные данные передаются органу ОВД. К системам зависимого наблюдения относится оборудование передачи речевых сообщений экипажей о местоположении ВС VPR (Voice Position Reports), а также бортовое и наземное оборудование автоматического зависимого наблюдения ADS. При этом ADS подразделяется на два основных типа:

- ADS-A (Automatic Dependent Surveillance- Addressable);

- ADS-B (Automatic Dependent Surveillance- Broadcast).

Оборудование ADS-A, именуемое также ADS-С (контрактное), автоматически посылает с борта ВС данные о своем местоположении органу ОВД, находящемуся на земле, через определенные интервалы времени или в определенных заранее оговоренных случаях. Периодичность передачи данных или особые случаи, при которых должно передаваться сообщение, устанавливает орган ОВД.

Оборудование ADS-В предполагает радиовещательный принцип передачи данных о местоположении ВС. Использовать эти данные может любой участник воздушного движения или орган управления воздушным движением (УВД), независимо от того, находится он на земле или в воздухе. Период обновления информации в этом случае устанавливается постоянным в зависимости от плотности воздушного движения в том или ином районе воздушного пространства.

Независимые системы наблюдения предполагают использование оборудования, которое определяет местоположение ВС непосредственно на земле. Бортовое оборудование в этом случае участия в определении местоположения ВС не принимает.

Независимое наблюдение может осуществляться первичными ОРЛ - PSR (Primary Surveillance Radar) или вторичными ОРЛ - SSR (Secondary Surveillance Radar). Вторичные радиолокаторы при этом подразделяются на традиционные вторичные радиолокаторы, принцип действия которых основан на обработке пакета ответных сигналов, моноимпульсные вторичные обзорные радиолокаторы МSSR (Monopulse Secondary Surveillance Radar), а также на моноимпульсные вторичные радиолокаторы, работающие в режиме S. К независимым системам наблюдения с некоторыми оговорками могут быть отнесены также пассивные обзорные системы, принцип действия которых основан на дифференциальной оценке времени запаздывания прихода сигналов на несколько разнесённых в пространстве приемников. От бортового оборудования при этом требуется лишь периодическое излучение импульсных сигналов, несущих информацию об идентификационном номере ВС или какого-либо другого транспортного средства, перемещающегося по лётному полю. Такие системы получили название маячных систем с оценкой разности запаздывания сигналов TDOA BML (Time Difference of Arrival Beacon Multilateration).

2. Наблюдение на основе передачи речевых донесений

Наблюдение на основе передачи речевых донесений используется в основном там, где по той или иной причине отсутствует возможность применения радиолокационного наблюдения. Чаще всего такой вид наблюдения применяется в воздушном океаническом пространстве или в континентальном пространстве с обширными труднодоступными участками суши. Экипажи ВС передают сообщения о своем местонахождении органам ОВД с помощью соответствующих средств радиосвязи или непосредственно, или через станцию авиационной связи с последующей их ретрансляцией органам УВД. Для связи в качестве несущих частот используются или высокие частоты HF(High Frequency), или очень высокие частоты VHF (Very High Frequency).

Основными недостатками такого вида наблюдения является малая оперативность, информативность и скорость передачи сообщений. Кроме того передача речевых сообщений требует от экипажей ВС и особенно от диспетчерского состава наземных служб значительных затрат времени, отвлекая их от выполнения своих основных функций. Концепция развития систем CNS/ATM предполагает замену этого вида наблюдения на более совершённые системы.

3. Автоматическое зависимое наблюдения ADS

Системы автоматического зависимого наблюдения предполагают, что местоположение ВС определяется непосредственно на борту, и затем эта информация передается на землю органам ОВД. Вместе с координатной информацией на землю передается дополнительная полётная информация, существенно повышающая эффективность работы систем ОВД.

Для работы системы ADS необходимо на борту иметь высокоточное и надежное радионавигационное оборудование, а между бортом и землей - высокопроизводительную систему связи “борт - земля”. Функциональные возможности системы ADS могут быть значительно расширены, если будут организованы автоматические каналы связи “ земля - борт”, а также наземные каналы связи между отдельными пунктами системы ОВД.

В настоящее время имеется два вида систем автоматического зависимого наблюдения:

- “контрактное ” или “адресное” автоматическое зависимое наблюдение, обозначаемые обычно как ADS-А (Automatic Dependent Surveillance - Addressable), ADS-C (Automatic Dependent Surveillance - Contract) или просто ADS;

-“радиовещательное” автоматическое зависимое наблюдение, обозначаемое как ADS-В (Automatic Dependent Surveillance -Broadcast).

Оборудование ADS-А (ADS-C) автоматически посылает с борта ВС данные о своем местонахождении или периодически, или при определенных ситуациях полета. Орган ОВД имеет возможность через свои технические средства, взаимодействующие с бортовой аппаратурой ADS, установить периодичность обновления необходимой информации (так называемый “периодический контракт”) или заранее оговорить ситуации, при которых будут передаваться на землю определенные виды и объём информации (так называемый “контракт по событию”).

Периодическим контрактом устанавливается временной интервал для регулярных автоматических докладов о местонахождении ВС. Базовый доклад о местоположении может быть дополнен другими данными, поля для которых в формате передаваемых сообщений зарезервированы и могут быть использованы по требованию диспетчера. Если установлен “контракт по событиям”, то доклад о местоположении ВС последует в случае возникновения следующих ситуаций, которые также устанавливаются диспетчером:

-отклонение ВС от заданного эшелона в определённых допусках;

-отклонение ВС от заданного маршрута полёта на определённые расстояния;

-пролёт пунктов обязательных донесений;

-пролёт пунктов донесений по запросу и т.д.

Контрактное ADS не предназначено для замены существующих систем радиолокационного наблюдения, и его применение ограничивается областями воздушного пространства, где используются процедурные методы ОВД.

Радиовещательное автоматическое зависимое наблюдение ADS-В представляет собой усовершенствованный метод ADS, который предусматривает периодическую радиовещательную передачу данных о местоположении ВС и другой полётной информации, имеющейся на борту. Любой пользователь, находящийся в воздухе или на земле в пределах дальности радиовещательной передачи, может обрабатывать и использовать эту информацию в своих целях. В частности, информация об идентификационном номере ВС и его местоположении может быть использована не только наземными службами УВД, но и бортовыми системами предупреждения столкновений ACAS (Airborne Collision Avoidance System).

Для передачи сообщений в различных системах ADS-В могут быть использованы радиолокационные самолётные ответчики, работающие в режиме S с произвольным протоколом радиовещания, УКВ линии цифровой связи VDL (VHF-Data Linc) в режиме 4, использующем самоорганизующийся протокол с разделением во времени, и приемопередатчики универсального доступа. Предполагается, что системы наблюдения ADS-В будут использоваться в качестве дополнения вторичных ОРЛ для заполнения разрывов в радиолокационном поле, а также возможно в качестве средства замены вторичных радиолокаторов в условиях низкой и средней плотности воздушного движения.

Недостатками систем автоматического зависимого наблюдения являются:

-необходимость развития соответствующей наземной инфраструктуры;

-усложнение операций УВД в тех районах, где обслуживаются ВС, оснащённые и неоснащённые оборудованием ADS;

-усложнение операций УВД на стыках районов с введёнными и невведёнными системами ADS;

-необходимость введения новых процедур ОВД.

4. Наблюдение на основе использования первичных радиолокаторов

Использование первичных радиолокаторов PSR для наблюдения за воздушной обстановкой не требует никакого дополнительного оборудования на борту, т.е. такая система наблюдения является полностью независимой. С помощью первичных радиолокаторов определяются две координаты ВС: наклонная дальность и азимут. Точность и разрешающая способность при этом оказываются достаточно высокими для эффективного ОВД. К сожалению, третью координату - барометрическую высоту ВС - определить с помощью первичного радиолокатора не представляется возможным. Не определяется также и другая дополнительная полетная информация: индивидуальный номер самолета, остаток топлива, вектор путевой скорости, особые случаи в полёте и т.д.

С целью максимально возможного удовлетворения требований, предъявляемым службами УВД к системам наблюдения, все первичные радиолокаторы подразделяются на отдельные классы:

- трассовые ОРЛ варианта А;

- трассовые ОРЛ варианта Б;

- аэродромные ОРЛ варианта В1;

- аэродромные ОРЛ варианта В2;

- посадочные радиолокационные станции;

- ОРЛ лётного поля;

- метеорологические радиолокаторы;

-комбинированные радиолокаторы для МВЛ.

Такое разделение первичных радиолокаторов на отдельные классы приводит к тому, что возникают значительные трудности при попытке введения унификации радиолокационного оборудования.

Основными недостатками систем наблюдения, функционирующих на базе первичных ОРЛ, являются:

-низкая информативность, связанная с отсутствием возможности получения дополнительной полётной информации;

-большое потребление энергии;

-высокий уровень помех, связанный с отражениями сигналов от местных предметов;

-ограничения зоны обзора, определяемые конфигурацией диаграммы направленности антенны (ДНА) в вертикальной плоскости и необходимостью выполнения условия прямой видимости между радиолокатором и ВС.

В связи с указанными выше недостатками, а также с расширением использования современных систем наблюдения применение первичных радиолокаторов для ОВД постепенно сокращается. Первичные радиолокаторы в ближайшие годы будут, в основном, использоваться для некоторых операций в аэродромной зоне, для контроля движения ВС и автомобильного транспорта по лётному полю, а также для метеорологических наблюдений.

5. Наблюдение на основе использования вторичных обзорных радиолокаторов

-повышенная по сравнению с первичными радиолокаторами информационная способность, позволяющая автоматически идентифицировать объекты наблюдения и осуществлять УВД по четырем координатам: наклонной дальности, азимуту, высоте и времени;

-большая инструментальная дальность действия при малых энергетических затратах;

-малый уровень помех, вызываемых отражениями сигналов от местных предметов и метеообразований;

-малый уровень излучаемой мощности.

Общими недостатками систем наблюдения, основанных на использовании вторичных радиолокаторов, являются:

-необходимость оснащения всех ВС самолётными ответчиками;

-необходимость введения в аппаратуру запросчиков и ответчиков систем подавления сигналов боковых лепестков ДНА по запросу и ответу;

-высокий уровень внутрисистемных помех.

Кроме перечисленных выше общих недостатков систем наблюдения, использующих вторичные радиолокаторы, у каждого класса таких радиолокаторов есть свои индивидуальные недостатки. Так, например, у всех типов радиолокаторов, кроме работающих в дискретно-адресном режиме, отсутствует автоматический информационный канал по линии “земля - борт”. Информационные возможности канала “борт - земля” также ограничены: при работе в режимах RBS потенциальные возможности ответных кодов определяются двенадцатью битами. В режимах УВД потенциальные возможности ответных кодов ограничиваются двадцатью битами, но они используются нерационально, что приводит к значительному увеличению временной базы кода.

У вторичных радиолокаторов, принцип действия которых основан на обработке пакета ответных сигналов, разрешающая способность и точность по азимуту хуже, чем у первичных радиолокаторов. Это приводит к значительным трудностям при разделении сигналов и дешифрации ответных кодов ответчиков ВС, расположенных на близких расстояниях друг относительно друга и приблизительно на одинаковых пеленгах. Для повышения азимутальной точности таких радиолокаторов при одной и той же ширине ДНА необходимо увеличивать количество импульсов в пакете, т.е. увеличивать частоту запросов, что автоматически приводит к значительному увеличению внутрисистемных помех. Компромиссным решением этого противоречия является использование моноимпульсного способа приёма и обработки ответных сообщений, а радикальным решением задачи устранения внутрисистемных помех и увеличения информационной способности - применение моноимпульсных дискретно-адресных вторичных радиолокаторов, работающих в режиме S.

Благодаря повышенным по сравнению с первичными радиолокаторами информационным возможностям, вторичные радиолокаторы в настоящее время стали основным средством наблюдения за воздушной обстановкой. В соответствии с концепцией развития систем CNS/ATM вторичные радиолокаторы и в дальнейшем будут оставаться основным средством наблюдения, но их параметры претерпят значительные изменения.

6. Наблюдение на основе использования дискретно-адресных систем вторичной радиолокации

-индивидуальная адресация запросов;

-принципиальная возможность использования для получения информации лишь одного ответа на индивидуальный запрос;

-совместимость с существующими неселективными системами вторичной радиолокации;

-возможность эволюционного перехода от неселективных к селективным системам вторичной радиолокации.

Индивидуальная адресация запросов обеспечивается тем, что в режиме S каждое ВС имеет свой адрес и может запрашиваться в индивидуальном порядке.

В качестве адреса режима S используется индивидуальная кодовая комбинация из 24 битов, присваемая каждому ВС на международной основе и являющаяся уникальным технологическим именем ВС.

Применение адресного запроса снимает большинство проблем, связанных с появлением синхронных и несинхронных помех в традиционных системах вторичной радиолокации. Частота запросов может быть выбрана низкой, благодаря чему значительно расширяются информационные возможности системы как по линии “земля - борт”, так и по линии “борт - земля”. Обмен информацией производится блоками по 56 или 112 бит (стандартное или удлиненное сообщение). В случае необходимости могут передаваться ещё более длинные сообщения, образуемые последовательным соединением нескольких удлинённых сообщений.

Высокая точность определения азимута цели при низкой частоте запросов и ответов обеспечивается применением моноимпульсного метода приёма ответных сигналов. Этим же объясняется очень высокая азимутальная разрешающая способность радиолокаторов.

Совместимость дискретно-адресных систем вторичной радиолокации с традиционными неселективными системами, работающими в режимах RBS и УВД, обеспечивается следующими техническими решениями:

-наземное и бортовое оборудование режима S использует те же несущие частоты запроса и ответа и ту же поляризацию радиоволн, что и оборудование, удовлетворяющее требования режимов RBS;

-наземные запросчики режима S могут генерировать запросные коды и обрабатывать ответные сигналы режимов RBS и УВД;

-ответчики, работающие в режиме S, имеют возможность отвечать на запросы режимов RBS кодами, которые соответствуют ответным кодам оборудования, работающего в режимах RBS и УВД.

Особое внимание обращается на возможность эволюционного внедрения дискретно-адресных систем. Учитывая неравномерность развития воздушных перевозок и экономические факторы, основные этапы внедрения селективных систем представляются в следующем виде:

-введение в эксплуатацию моноимпульсных запросчиков, обеспечивающих работу неселективных систем вторичной радиолокации;

-оснащение ВС ответчиками режимов S;

-оснащение моноимпульсных запросчиков аппаратурой, способной работать в режиме S;

-расширение возможностей дискретно-адресных систем путем ввода в эксплуатацию автоматических линий передачи данных режима S;

-использование возможностей линий передачи данных режимов S в глобальной сети аэронавигационной связи ATN (Aeronautical Telecommunication Network);

-широкое внедрение систем предупреждения столкновений ВС более высокого уровня, например ACAS II (Airborne Collision Avoidance System - бортовая система предупреждения столкновений).

Несмотря на очевидные преимущества систем наблюдения, основанных на использовании дискретно-адресных вторичных радиолокаторов, внедрение их в эксплуатацию происходит медленно и чрезвычайно неравномерно. Объясняется это несколькими причинами, главными из которых являются:

-эффективность системы и её преимущества перед другими системами наблюдения проявляются наиболее сильно при большой плотности воздушного движения, а также в тех случаях, когда на неё возлагается выполнение ряда дополнительных функций: организацию автоматических высокопроизводительных линий связи, предупреждение столкновений ВС и др.

-для эффективного использования системы необходимо, чтобы на каждом ВС был установлен ответчик, способный работать в режиме S;

-зона ОВД ограничивается зоной видимости наземного запросчика;

-для эффективной работы системы должна быть подготовлена соответствующая наземная инфраструктура;

- очень высокие материальные и экономические затраты.

7. Наблюдение на основе использования системы пассивных всенаправленных радиомаяков

Эти системы получили некоторое развитие в аэропортах с очень большой интенсивностью воздушных перевозок. Основное назначение таких систем - контроль и управление движением ВС или автомобильного транспорта по лётному полю. Принцип действия системы заключается в дифференциальной оценке времени запаздывания прихода сигналов, генерируемых самолетными или автомобильными передатчиками, на приёмные устройства, расположенные в определенных заранее известных точках контролируемой зоны (рис.1.). Принятые приёмниками Пр.1, Пр.2 и Пр.3 сигналы в определённой очерёдности с дополнительными задержками t1, t2, t3 передаются на центральный пункт для дальнейшей обработки. Задержки выбраны таким образом, что принимаемые сигналы не накладываются друг на друга.

Процессор, расположенный на центральном пункте, решает задачу, описываемую системой управлений

где t0- текущее значение отсчёта времени; t1, t2 и t3 - моменты времени прихода сигналов на центральный пункт; T1, T2 и T3 - задержки, обусловленные прохождением сигналов от приёмника до центрального пункта; t1', t2' и t3' - задержки обусловленные прохождением сигналов от объекта наблюдения (ВС) до отдельных приёмников. Соответствующие расстояния определяются по формулам:

где c - скорость света.

По координатам приёмников X1, Y1; X2, Y2; X3, Y3 и расстояниям r1, r2, r3 вычисляются координаты наблюдаемого объекта ХВС, YВС.

Для однозначного определения положения объекта наблюдения необходимо иметь, как минимум, три приёмника. Общее количество приёмников, используемых в системе, зависит от размеров и конфигурации контролируемой зоны.

Возможны различные варианты построения такой системы наблюдения: с использованием синхронизирующих запросчиков, с организацией двухсторонних каналов связи, с использованием ответчиков, работающих в режиме S для идентификации объектов наблюдения и т.д. Независимо от варианта реализации таких систем, принцип получения координатной информации у них останется неизменным.

Основными достоинствами рассматриваемой системы наблюдения является:

-высокая точность определения координат наблюдаемых объектов;

-высокие возможности по количеству одновременно наблюдаемых объектов;

-малое потребление электроэнергии;

-отсутствие микроволновых элементов высокой мощности;

-возможность работы без постоянного присутствия обслуживающего персонала;

-малая стоимость системы и малые эксплуатационные расходы.

Недостатками системы являются ограниченные размеры контролируемой зоны пространства и необходимость оснащения каждого объекта наблюдения передающим устройством, генерирующим импульсные сигналы.

Размещено на Allbest.ru