Анализ надежности связи в системе Коспас-Сарсат

2006

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники

Безопасность полётов

№99

УДК621.396.98

АНАЛИЗ НАДЕЖНОСТИ СВЯЗИ В СИСТЕМЕ КОСПАС-САРСАТ

Е.А. КОВЕРЗНЕВ, Д М. СУРКОВ

Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.

В данной статье проводится анализ функционирования системы поиска и спасания КОСПАС-САРСАТ, а также исследуется устойчивость сигнала аварийного радиомаяка, работающего в данной системе, в условиях многолучевого распространения сигнала.

В середине 90-х гг. прошлого века в гражданской авиации нашей страны сложилась очень тяжелая ситуация с безопасностью воздушного движения. В последние годы аварийность на воздушном транспорте уменьшается, но остается довольно высокой, особенно для малой авиации. Это связано не только с техническим состоянием парка воздушных судов, но и с более сложными условиями полета.

Согласно "Наставлению по авиационному поиску и спасанию в государственной и экспериментальной авиации", "авиационный поиск и спасание" - это составная часть аэронавигационного обслуживания, заключающаяся в оказании своевременной помощи пассажирам и экипажам воздушных судов при возникновении аварийных ситуаций.

Огромное значение при спасении людей имеет своевременная информация о бедствии. Успешное решение этой задачи во многом зависит от надежности и эффективности средств связи. Радиотехнический поиск является основным видом поиска. Для увеличения надежности приема и передачи сообщений о бедствии согласно международному соглашению были выделены специальные частоты (500, 2182 кГц; 121,5,156,8, 243 и 406 МГц) и выработаны правила пользования ими.

В соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации (ICAO) с 2005 года все воздушные суда, подпадающие под действие Конвенции ICAO (магистральные воздушные суда, летающие над необжитыми территориями, а также совершающие международные рейсы), должны иметь на борту совместимый с системой КОСПАС-САРСАТ аварийный передатчик-указатель положения (АРМ), работающий на частоте 406 МГц и имеющий привод на частоте 121,5 МГц [1].

Система КОСПАС-САРСАТ - это глобальная система оповещения, предназначенная для определения местонахождения терпящего бедствие, идентификации его и вызова поисково-спасательных служб. Система производит спутниковую обработку сигналов радиомаяков на частотах 406 и 121,5/243 МГц.

Радиомаяки 121,5 доступны по цене, но используемая в них технология, которая не может быть улучшена достаточно простым способом, является причиной большого числа аварийных ложных срабатываний. Комиссия КОСПАС-САРСАТ инициировала с 2000 года план о полном прекращении работы системы КОСПАС-САРСАТ на частоте 121,5/243 МГц с 2009 года [1].

В АРМ 406 для передачи цифрового сообщения используется бинарная фазовая манипуляция на ±1.1 радиана относительно немодулированной несущей (рис.1). Время передачи сообщения 440 мс или 520 мс, в зависимости от формата передаваемого сообщения (короткое или длинное). Период повторения сообщения изменяется случайно в интервале 47,5...52,5 с. Передаваемое сообщение состоит из двух частей: немодулированная несущая 160 мс и собственно само сообщение. Скорость передачи данных составляет 400 бит/с. Более подробно со способом передачи информации и форматом сообщений можно ознакомиться на официальном сайте КОСПАС-САРСАТ (С/S T.001) [1].

Большинство авиапроисшествий малой авиации приходится на местность со сложным рельефом. В горной местности становится актуальной проблема эксплуатации радиомаяков: устойчивость сигнала радиомаяка к воздействию многолучевости и доступность спутников системы КОСПАС-САРСАТ.

Радиомаяк системы КОСПАС-САРСАТ использует ненаправленную антенну. На вход приемника спутника приходит не только прямой сигнал, но и сигналы, переотраженные от поверхности и конструктивных элементов фюзеляжа воздушного судна. Последние, в силу характера отражающей поверхности, могут иметь достаточно большие значения. Многолучевость вызывает флуктуации амплитуды и фазы принятого сигнала, снижая вероятность правильной обработки сигнала. Так как спутниковая обработка сигналов на частоте 121,5 МГц с 2009 года будет прекращена, устойчивость к воздействию многолучевости будет рассмотрена на примере сигнала АРМ 406.

Рас.1. ¡ИоАулиру №щоя последовательность

Рис. 1. Модулирующая последовательность

Допустим, что сигнал, переотраженный от фюзеляжа воздушного судна, преобладает над остальными компонентами многолучевого сигнала и имеет достаточно большое значение относительно прямого сигнала. В данном случае модель можно записать в виде двулучевого канала связи. Введем некоторые упрощения в модель. Моделирование производится при передаче длинного формата сообщения (144 бита со скоростью 400 бит/с). Период повторения сообщения 50 с. Модель была реализована с использованием математического пакета МЛТЬЛБ.

ьа$) х

Рис.2. Ка н ал п ере дачи инф орма ц ы н

Рис. 2. Канал передачи информации

Рассмотрим более подробно модель канала передачи информации (рис.2).

В качестве сообщения передается кадр ЬІ1;(1;) , состоящий из последовательностей битовой и кадровой синхронизации (1-24 бит) (С/8 Т.001) [1], а также последовательности случайных бит (25-144 бит).

Кодер производит перемножение передаваемого кадра на меандр для получения необходимой модулирующей последовательности (рис. 1):

х(ї) = (2Ьії (ї) - 1)шеапёег(1;).

Модулятор формирует комплексную огибающую сигнала по закону:

*(і) = А(ї) ехрС/ (в(і) + qo)),

где Л(Х) амплитуда комплексной огибающей:

Л(х) =

[1,пТпов < г <Тсоб + пТп

10,х й пТПОв < х <т СОб + пТПОв

Тпов = 50с - период повторения сообщения;

Тсов = 360мс - длительность сообщения (144 бита);

п = 0,1,2..;

0(^) = 1,1х(^) - фаза комплексной огибающей;

00 - начальная фаза.

Генератор шума - блок добавляет белый шум п(Х) для достижения требуемого соотношения сигнал/шум в канале (€/N=20 Дб).

Линия задержки осуществляет задержку передаваемого сигнала на время разности хода лучей т:

- т) = )а ехр( у'( йт)) ,

где Т - разность хода лучей;

а - коэффициент, определяющий отношение уровня сигнала, пришедшего на вход приемника в результате переотражений, к сигналу, имеющему прямой путь распространения;

й = 2л- {н = 2л- 406,025 • 106 рад / с - циклическая частота несущего колебания радиомаяка

(С/8 Т.001) [1].

Сигнал на входе приемника записывается в следующем виде:

г 0) = А(г) ехр(7(°0) + 00)) + А^) ехр(у(0) + 00))а ехр(/(йт)) + п(г).

Демодулятор производит демодуляцию принятого сигнала. В модели применён демодулятор с жёсткой схемой принятия решения.

Декодер осуществляет декодирование принятого сообщения.

Схема принятия решения работает по следующему алгоритму:

• если с 1 по 15 бит есть ошибки - битовая синхронизация отсутствует;

• если с 25 по 106 бит сообщения более 3 ошибок - сообщение не принято (С/8 Т.002) [1].

В данной модели исследуется надежность связи. Иными словами, определяется вероятность прохождения сообщения в зависимости от времени задержки Т и величины коэффициента отражения а. Для каждого коэффициента а время задержки Т имеет 20 значений. Статистика набирается при передаче 1000 сообщений для каждой комбинации а и Т .

В большинстве случаев ни одна из переотраженных компонент многолучевого сигнала не преобладает и сигнал по прямому пути распространения превышает уровень многолучевых компонент. При этом амплитуда огибающей принимаемого сигнала описывается райсовой функцией плотности распределения вероятности:

Р(г0) =

г

-уехр

а

Г + А2) 2а2

( г0 А ^

— I, для г0 > 0, А > 0

а2 I

0, г0 < 0, А < 0,

0

VI . 2

ш: + Шд , ш: и Шд - средние значения квадратурных составляющих принятого сигнала

(имеют гауссову функцию распределения вероятностей);

о2 - средняя мощность многолучевого сигнала;

А - максимальное значение незамирающего компонента сигнала;

10() - модифицированная функция Бесселя первого рода нулевого порядка.

Преобладание основного сигнала над компонентами, пришедшими по множественным путям распространения, описывают параметром распределения Райса К = Л2 /(2с2) .

Рассматривая результаты моделирования (рис. 3) и вышеизложенные предположения о характере замираний огибающей, можно сделать вывод, что при малом значении К надежность связи является недостаточной для достоверного приема и обработки информации.

time delay

х 10''

G

time delay

x 10’

3.02

x 10'

a=0,2

time delay

x 10

3.04 3.06 3.08

time delay

x 10

3.1

-7

Рис. 3. Надежность связи

ЛИТЕРАТУРА

1. Сайт КОСПАС-САРСАТ: ‘^^^созраз-загеаХ.о^

2. Бернард Скляр. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, второе издание. - М.: Вильямс,

2003.

3. Федеральные авиационные правила поиска и спасения / Российская газета № 38 (3152) от 27 февраля 2003.

RELIABILITY ANALYSIS OF THE COSPAS-SARSAT CHANNEL

Koverznev E.A., Surkov D.M.

In given article is conducted analysis of the operating the search and rescue system COSPAS-SARSAT , as well as is researched stability of the signal of the emergency radio beacon, working in given to system, to in condition multipath spreading the signal.

Сведения об авторах

Коверзнев Евгений Анатольевич, 1977 г.р., окончил МГТУ ГА (2003), инженер-конструктор ОАО МКБ “Компас”, аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - цифровая связь.

Сурков Дмитрий Михайлович, 1977 г.р., окончил МГТУ ГА (2001), кандидат технических наук, начальник отдела ОАО МКБ “Компас”, автор 12 научных работ, область научных интересов - методы и средства спутниковой навигации.