Оценка эффективности спутниковой системы УВД на базе АЗН

2005

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника

№ 87

УДК 621.396

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ СПУТНИКОВОЙ СИСТЕМЫ УВД НА БАЗЕ АЗН

М.В. Черняков, Д.А. Краснов

Рассчитывается оценка эффективности структуры комплекса технических средств (КТС) УВД-АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД для различных уровней автоматизации. На основе изучения функциональных возможностей различных вариантов построения КТС РЦ Магадан формируется соответствующая оценка эффективности таких вариантов.

1. СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА

Спутниковая радионавигационная система (СРНС) относится к классу сетевых систем непрерывного действия и обеспечивает глобальное высокоточное определение полного вектора состояния потребителей с помощью соответствующей приемной аппаратуры.

СРНС - предназначена для решения различных навигационных задач с высокой точностью в любом районе земного шара, в любое время года и суток. Метод определения координат - псевдодальномерный. Обеспечиваемое радионавигационное поле при полностью развернутой системе географически непрерывное с возможностью определений в любой момент времени. СРНС функционирует в собственном системном времени и системе координат. К достоинствам спутниковых систем относятся следующие:

- неограниченная дальность действия в приземном слое пространства;

- высокая точность определения координат и составляющих скорости потребителей во всей пространственной рабочей области;

- однозначность навигационных определений, выдаваемых в единой для всех потребителей системе координат;

- независимость точности координатных определений от времени суток, сезонов года и метеоусловий;

- высокая помехоустойчивость;

- возможность при одном и том же радионавигационном поле применять приемоиндикаторную аппаратуру разных классов точности и оперативности с различным составом определяемых параметров.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОГО ЗАВИСИМОГО НАБЛЮДЕНИЯ

Автоматическое зависимое наблюдение (АЗН) представляет собой вид обслуживания ВД, когда воздушные суда (ВС) в автоматическом режиме периодически передают по линии передачи данных (ЛПД) конкретному (АЗН-А) или любому (АЗН-В) потребителю информацию о своем местонахождении, полученную с помощью бортовых навигационных систем. На рис.1 представлена классификация систем АЗН.

Рис. 1. Классификация систем АЗН

В контрактном (или адресном) АЗН (АЗН-А) автоматическая передача с борта ВС периодических сообщений начинается после осуществления по инициативе ВС соединения с конкретным органом УВД. Какая информация и с какой частотой она должна передаваться, определяется этим органом УВД в установленном им контракте или серии контрактов с ВС. До появления международного технического стандарта (БАКРБ) на контрактное АЗН промышленностью была сделана попытка реализации АЗН-А, в результате чего появились комплекты бортового оборудования БАКБ-І и БАКБ-А. Оборудование БАКБ-І/А по ряду моментов не соответствует появившемуся позднее стандарту. Поэтому ИКАО определила, что эти промежуточные системы могут использоваться для обеспечения наблюдения только в океанических или близких к ним по условиям континентальных районах.

Радиовещательное (или вещательное) АЗН (АЗН-В) является видом наблюдения, которое позволяет осуществлять периодическую (до 1 сообщения в секунду) передачу с использованием ЛПД радиовещательного типа (без предварительного установления контракта) таких параметров, как координаты, опознавательный индекс ВС и ряд других для использования любым заинтересованным в этой информации бортовым и/или наземным пользователем. Такая способность улучшает осведомленность о воздушной обстановке и на борту ВС, и на земле, что позволяет обеспечить функцию наблюдения, а также кооперативную, "пилот-диспетчер" и "пилот-пилот", организацию ВД. АЗН-В не ограничивается традиционными функциями, ассоциирующимися с радиолокационными системами наземного базирования.

Система УВД, основанная на использовании возможностей АЗН, состоит из шести основных функциональных элементов:

- аппаратура сопряжения диспетчера УВД;

- автоматизированная система УВД;

- согласующее устройство систем связи;

- линии передачи данных;

- бортовое радиоэлектронное оборудование;

- аппаратура сопряжения на борту ВС.

3. ЛИНИИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В АЗН

Функции наблюдения будут успешно решены в системе УВД только в том случае, если в полной степени будут реализованы потенциальные возможности двухсторонней системы передачи данных между экипажем и диспетчером.

В табл. 1.1 и 1.2 представлены форматы трех сообщений АЗН, рекомендованные ИКАО. Основное сообщение АЗН содержит информацию о местоположении и высоте ВС, время и опознавательный индекс ВС. Расширенное сообщение - основное сообщение, содержит данные предсказуемого маршрута, скорость и направление ветра, температуру. Кроме того, может передаваться дополнительное сообщение, содержащие другие сведения вспомогательного характера. Основной доклад (объем его составляет 139 бит) может передаваться с периодичностью 5, 30 и 300 секунд в зависимости от воздушной обстановки. Расширенный доклад (объем 324 бита) передается только по требованию диспетчера. Передача сообщений АЗН с периодом 10 с в настоящее время рассматривается как наиболее предпочтительная.

Таблица 1.1

Г руппы данных Разрешающая способность

1 2

Широта/долгота 0.0125 дуг. мин.

Высота 2.4 м

Время 0,125 мкс

Погрешность -

Активизация поля -

Идентификатор ВС 8

Таблица 1.2

Г руппы данных Разрешающая способность

1 2

Широта/долгота в текущей точке маршрута 0.0125дуг.мин.

Высота в текущей точке маршрута 2.4 м

Широта/долгота в очередной точке маршрута 0.0125 дуг. мин.

Высота в очередной точке маршрута 2.4 м

Курс 0.10

Воздушная скорость/число М 0.001

Вертикальная скорость 0.08 м/с

Скорость ветра 2 км/с

Направление ветра 0.70

Температура 0.250

Технической основой, обеспечивающей передачу данных АЗН, являются ЛПД (рис. 2). Реализация переходных систем АЗН-А осуществляется на базе спутниковой ЛПД и УКВ ЛПД режима 1. При реализации АЗН-А конечного вида могут использоваться все четыре ЛПД: спутниковая, режима Б ВОРЛ, УКВ (режимы 2, 3, 4) и КВ. Для реализации АЗН-В могут использоваться все четыре ЛПД, перечисленные выше. В настоящее время существуют две основные альтернативы: ЛПД режима Б ВОРЛ и УКВ ЛПД режима 4. Последняя, наряду с широкими возможностями реализации видов применения ЛПД, имеет меньшую стоимость, лучшие техни-

ческие характеристики и существенно большие перспективы наращивания функций. УКВ ЛПД режима 4 принята к использованию в Магаданском РЦ ЕС УВД.

Рис.2. Линии передачи данных используемые в АЗН

Рис. 2. Линии передачи данных, используемые в АЗН

4. СТРУКТУРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КТС УВД-АЗН/ДПЛПД

МАГАДАНСКОГО РЦ ЕС УВД

Спутниковые системы УВД на базе АЗН предполагается применять в основном для УВД на маршрутах с низкой интенсивностью воздушного движения (ВД) и в районах со слабо развитым радиолокационным обслуживанием. К таким районам относятся океанические/полярные районы УВД России, в частности Магаданский РЦ ЕС УВД.

С целью оценки преимуществ и перспектив использования АЗН в океанических/полярных районах УВД России в 1996 году между ГРП «Магаданаэроконтроль» и корпорацией АМЫС (США) был подписан Контракт, а также разработаны ТТЗ и Технический проект на установку на Магаданском РЦ ЕС УВД наземного комплекса технических средств УВД с функциями АЗН и ЛПД (КТС АЗН/ДПЛПД) для управления полетами на воздушных трассах по технологии СКБ/АТМ (перспективная система связи, навигации и наблюдения/организации ВД для обеспечения полетов ВС гражданской авиации в XXI столетии). В 1998 году в результате успешных приемо-сдаточных испытаний КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД рекомендован для проведения опытной эксплуатации.

Для оценки эффективности внедрения КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД по сравнению с принятой технологией обслуживания ВД, реализуемой на базе штатных технических средств РТО и связи, разработана структура КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД (рис. 3).

Уровень системы КТС УВД-АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД

Связь Наблюдение Навигация Взаимодействие с соседними центрами УВД Дополнительные ср-ва отображения информации

Уровень функциональных возможностей

Рис.3. Структура показателей эффективности КТС УВД-АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД Рис. 3. Структура показателей эффективности КТС УВД-АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД

К уровню подсистем относятся: подсистема связи; подсистема наблюдения; подсистема навигации;

подсистема взаимодействия с соседними центрами УВД; подсистема дополнительных средств отображения информации.

Функциональные возможности подсистем уровня функциональных возможностей приводятся в табл.2.

Структура показателей эффективности КТС АЗН/ДПЛПД имеет трехуровневую иерархическую топологию построения. Верхний уровень занимает обобщенный показатель эффективности КТС АЗН/ДПЛПД. Средний уровень - уровень обобщенных функциональных показателей. Нижний уровень - уровень частных функциональных показателей эффективности (уровень функциональных возможностей). Обобщенный показатель эффективности представляется функциональной зависимостью от обобщенных функциональных показателей, а последние, в свою очередь, функциональными зависимостями от частных функциональных показателей.

На основе разработанной структуры показателей эффективности КТС АЗН/ДПЛПД и при использовании методики оценки эффективности радиотехнического оборудования систем УВД можно получить количественную оценку прироста эффективности от использования АЗН по сравнению с действующим комплексом штатных технических средств РТО и связи Магаданского РЦ ЕС УВД. При этом эффективность системы КТС АЗН/ДПЛПД принимается равной единице.

5. РАЗРАБОТКА СТРУКТУРЫ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КТС АЗН/ДПЛПД

МАГАДАНСКОГО РЦ ЕС УВД

Для количественной оценки эффективности внедрения КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД по сравнению с принятой технологией обслуживания ВД, реализуемой на базе штатных технических средств РТО и связи, выбраны функциональные возможности РЦ Магадан при различной степени автоматизации:

- степень автоматизации А0 - система АЗН-А;

- степень автоматизации А1 - система АЗН-В.

Сведения о выполняемых функциях КТС УВД-АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД являются исходными данными для оценки эффективности системы. Поэтому следующим этапом является перечисление функциональных возможностей КТС (табл. 2).

Также в таблице указываются весовые коэффициенты, отражающие важность характеристик при оценке эффективности и определяемые экспертным путем. При этом количественные эквиваленты экспертных суждений выбраны согласно порядковой шкале градаций важности [6, п.3.1.].

Наличие функциональной возможности при данной степени автоматизации (табл. 2) представляется символом «+», а отсутствие - «-» в этой же колонке. Если функциональная возможность используется не полностью, то указывается «+/-».

За норму берутся функциональные возможности полнофункциональной системы СНН/ОВД КТС УВД-АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД (АЗН-В).

Таблица 2

№ п/п Функциональные возможности Вес Нормированный вес Степень автоматизации

А0 А1

1 2 3 4 7 8

1. Связь 1.0

1.1. Связь "В-З" с использованием КВ средств 1.0 0.192 + +

1.2. Связь "В-З" с использованием МВ средств 1.0 0.192 + +

1.3. Использование ЛПД "В-З" 0.6 0.115 +/- +

1.4. Терминальная наземная станция МВ ACARS 0.5 0.096 + +

1.5 Бортовое КВ оборудование 0.5 0.096 +/- +

1.6 Использование ЛПД "В-В" 0.6 0.115 - +

1.7 Местные ВС оснащаются оборудованием бортового ЛПД 0.2 0.0395 +/- +

1.8 Использование сети ATN 0.2 0.0395 - +

1.9 Обновление сообщений АЗН 0.6 0.115 10 с 5 с

2. Наблюдение 1.0

2.1. Речевые доклады экипажей 1.0 0.217 + +

2.2. Использование первичных РЛК 1.0 0.217 + +

2.3 Использование ЛПД 0.5 0.1085 + +

2.4. Использование сообщений АЗН 0.5 0.1085 + +

2.5. Резервирование всего оборудования обработки АЗН 0.2 0.044 +/- +

2.6. Автоматическое прекращение наблюдения после выхода ВС из зоны ПИР 0.2 0.044 + +

2.7. Автоматическое обнаружение и предупреждение диспетчера о конфликтах между ВС, ВС и зонами ограничений ВП 0.5 0.1085 + +

2.8. Автоматическое обнаружение и уведомление об отклонении ВС от маршрута (линии пути) 0.5 0.1085 + +

2.9. Дополнительная информация по каждому ВС 0.2 0.044 +/- +

3. Навигация 1

3.1. Использование бортовых систем инерционного типа 1.0 0.66 + +

3.2. Использование средств глобальной навигации GPS 0.5 0.34 + +

4. Взаимодействие с соседними центрами УВД 1.0

4.1. Речевой режим, наземные каналы связи 1.0 0.58 + +

4.2. Используется метод обмена данными 0.5 0.29 + +

4.3. Использование спутниковых сетей 0.2 0.13 + +

Продолжение табл. 2

1 2 3 4 5 6

5. Дополнительные средства отображения информации 0.8

5.1. Обработка плановой информации 0.8 0.53 +/- +

5.2. Автоматическое отображение докла-дов\сообщений АЗН на мониторе 2kx2k 0.7 0.46 +/- +

5.3. Возможность отображения дополнительной информации о ВС 0.2 0.005 +/- +

5.4. Ввод речевых докладов о местоположении ВС диспетчером в комплекс и отображение на CDS рабочего места 0.2 0.005 +/- +

Прим.: В табл. 1 — функция не реализуется; + - функция реализуется; +/- - функция реализуется частично.

6. РАСЧЕТ ОБОБЩЕННОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ КТС АЗН/ДПЛПД

МАГАДАНСКОГО РЦ ЕС УВД

Расчет обобщенного показателя эффективности КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД выполнялся в два этапа. Первый этап - расчет обобщенных показателей эффективности подсистем, входящих в состав КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД. Значения для расчетов приведены в табл. 2. Знаки "+", "+/-","-" заменяются числовыми значениями "1.0", "0.5", "0.0". Второй этап - собственно расчет обобщенного (интегрального) показателя эффективности КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД. Расчеты обобщенных показателей эффективности выполнены согласно методике, изложенной в [4].

В оценке эффективности КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД участвуют 5 различных видов подсистем (п.1). Обобщенный показатель эффективности подсистем е;, 1 = 1,...,5

- это совокупность трех оценок: £;={£; , £*, £;*} - соответственно верхняя, средняя и нижняя оценки эффективности.

*

Согласно статье [6] из рассматриваемых оценок е* - самая пессимистичная оценка, а е - самая оптимистичная оценка, е есть математическое ожидание. Эта оценка занимает промежуточное положение между верхней и нижней оценкой эффективности.

*

При анализе альтернатив верхняя оценка е дает возможность определить альтернативу, доставляющую наивысшую эффективность по совокупности частных показателей эффективности, характеризующих эти альтернативы. Нижняя оценка е* указывает на вариант, обладающий минимумом недостатков по совокупности тех же показателей. Средняя оценка е указывает на промежуточный вариант. Оценка е справедлива при выполнении условия независимости частных показателей эффективности, используемых при формировании обобщенного показателя эффективности ТС. Всегда справедливо следующее нестрогое неравенство: е; < е < е;*, 1 = 1,...,5.

При анализе соответствия КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД предъявляемым к нему техническим требованиям (что в общем случае можно рассматривать как сравнение 2-х альтернатив [6]) указанные оценки можно трактовать следующим образом. Оценка е , при условии нормальной работы всех ТС, указывает на максимально достижимую эффективность данного состава КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД в наиболее благоприятных условиях его функционирования. Напротив, оценка е*, при условии нормальной работы всех подсистем, указывает на уровень эффективности данного состава КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД, ниже которого эффективность не снижается в самых неблагоприятных условиях

его функционирования. Средняя оценка е справедлива, как правило, во всех остальных (неграничных) случаях.

Результаты расчетов обобщенных показателей эффективности подсистем, входящих в состав КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ ЕС УВД, представлены в табл. 3.

Таблица 3

№ п/п Наименование ТС, степень автоматизации Верхняя * оценка £; Средняя оценка є Нижняя оценка £;* Вес Нормированный вес

1. Подсистема связи 1.0 0.208

- А0 і.о о.92і75 о.о

- Аі і.о і.о і.о

2. Подсистема наблюдения 1.0 0.208

- Ао і.о о.956 о.5

- Аі і.о і.о і.о

3. Подсистема навигации 1.0 0.208

- Ао і.о і.о і.о

- Аі і.о і.о і.о

4. Подсистема взаимодействия с соседними центрами УВД 1.0 0.208

- Ао і.о і.о і.о

- Аі і.о і.о і.о

5. Подсистема дополнительных средств отображения информации 0.8 0.168

- Ао о.5 о.5 о.5

- Аі і.о і.о і.о

Для расчета обобщенного показателя эффективности КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ Е={Е , Е, Е*} используются данные табл. 3. Согласно [6, 11] обобщенный показатель эффективности Е есть функция от обобщенных показателей эффективности е;={е; , е^, е;*}, 1 = 1,...,5, соответствующих подсистем. Содержательно оценки Е , Е, Е* имеют тот же смысл, что и е; , е;, е;* соответственно, однако относятся не к отдельным подсистемам, а КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ в целом.

Расчет обобщенного показателя эффективности проводился в предположении, что все функции подсистемы независимы друг от друга. В этом случае согласно методике [4] рекомендуется использовать метод аддитивной взвешенной свертки:

5 5 5 5

Е = £ е^щ = {Е*; Е; Е*} = {£ е/-щ; £ £ е^-;щ}.

j=l j=l j=l

Например Е* , для степени автоматизации А0 имеет следующее значение:

Е* = 1 0,208+1 0,208+1 0,208+1 0,208+0,5 0,168 = 0,916.

Окончательно в результате расчетов получена следующая оценка эффективности КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ УВД различной степени автоматизации:

1) для степени автоматизации Ао - Е = {0,916; 0,8906; 0,604};

2) для степени автоматизации А1 - Е = {1,000; 1,0000; 1,000}.

7. ВЫВОДЫ

1. В результате проведенной оценки эффективности КТС АЗН/ДПЛПД Магаданского РЦ УВД еще раз показана принципиальная возможность использования разработанной методики [6] для решения класса задач по оценке эффективности радиотехнического оборудования аэродрома и других объектов системы УВД при условии построения соответствующих структур показателей эффективности, аналогичных структуре, приведенной в [іі].

2. В результате произведенных расчетов на примере Магаданского РЦ УВД показано, что АЗН-В эффективнее АЗН-А (по Е оценке на 9%, по Е оценке на іі%, по Е* оценке на

бо%).

ЛИТЕРАТУРА

1. Крыжановский Г.А., Черняков М.В. Оптимизация авиационных систем передачи информации - М.: Транспорт, 1986.

2. Крыжановский Г.А., Черняков М.В. Комплексирование авиационных систем передачи информации - М.: Транспорт, 1992.

3. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих Н.Н. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта; Под ред. Г.А.Крыжановского - М.: Транспорт, 1999.

4. Организация управления воздушным движением/В.И. Алешин, Ю.П. Дарымов, Г. А. Крыжановский и др.; Под ред. Г. А. Крыжановского. - М.: Транспорт, 1988.

5. Нормы годности к эксплуатации в СССР оборудования гражданских аэродромов и воздушных трасс (НГЭО-81). - М.: Воздушный транспорт, 1983.

6. Черняков М.В., Петрушин А.С. Методика оценки эффективности аэродромного диспетчерского центра // Научный Вестник МГТУ ГА, серия «Радиофизика и радиотехника», №24, 2000.

7. Тучков Н.Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства управления воздушным движением: Учебник для вузов. - М.: Транспорт, 1994.

8. Прикладные нечеткие системы / Пер. с япон.; Под ред. Т. Тэрано, К. Асаи, М. Сугэно. - М.: Мир, 1993.

9. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий / Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1993.

10. Фишберн П.С. Теория полезности для принятия решений / Пер. с англ.; Под ред. Н.Н. Воробьева. - М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1981.

11. Черняков М.В., Петрушин А.С. Структура показателей оценки эффективности комплекса технических средств радиосветотехнического обеспечения аэродрома // Научный Вестник МГТУ ГА, серия «Радиофизика и радиотехника», №36, 2001.

12. Черняков М.В., Краснов Д.А. Структура показателей эффективности СС УВД на базе АЗН за ВП в океанических/полярных районах России // Научный Вестник МГТУ ГА, серия «Радиофизика и радиотехника», №37, 2001.

13. ТИИЭР. Т. 77. №11, 1989.

THE ESTIMATION OF EFFECTIVENESS OF STRUCTURE OF A COMPLEX OF MEANS OF CONTROL OF

AIR DRIVING ON A BASIS ADS

Tcherniakov M.V., Krasnov D.A.

The estimation of effectiveness of structure of a complex of means of control of air driving on a basis ADS at the Magadan air control on control of air driving for various levels of automation pays off. On the basis of study of functionalities of various variants of construction of a complex of means of control of air driving on a basis ADS the appropriate estimation of effectiveness of such variants is formed.

Сведения об авторах

Черняков Михаил Владимирович, 1937 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1967), доктор технических наук, профессор, академик Российской Академии транспорта и Международной Академии информатизации при ООН, профессор кафедры авиационных радиоэлектронных систем МГТУ ГА, автор более 200 научных работ, область научных интересов -автоматизация технологических процессов УВД.

Краснов Дмитрий Анатольевич, 1971 г.р., окончил Луганское ВВАУШ (1993), МГУ им. М.В. Ломоносова (1997), аспирант кафедры авиационных радиоэлектронных систем МГТУ ГА, область научных интересов - моделирование и оценка эффективности системы УВД.