СИСТЕМА КОНТРОЛЯ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАБЛЮДЕНИЯ ВОЗДУШНОЙ ОБСТАНОВКИ

Полезная модель относится к области управления воздушным движением (УВД), а именно к системам контроля радиотехнических средств наблюдения воздушной обстановки и может быть использована оценки уровня безопасности полетов в зонах ответственности центров УВД.
В качестве основных средств управления воздушным движением (УВД) во всех странах используются радиотехнические средства наблюдения (РТСН) воздушной обстановки (первичные и вторичные РЛС, системы автоматического зависимого наблюдения АЗН, multilateration системы MLAT). От стабильности их технических параметров и надежности функционирования зависит безопасность полетов воздушных судов. Поэтому необходим постоянный контроль их работоспособности, технических характеристик и достоверности оценки текущей воздушной обстановки.
В целом качество функционирования системы УВД оценивается таким интегральным параметром как уровень безопасности полетов. Данный показатель, согласно определению Международного комитета по гражданской авиации ICAO, равен количеству авиационных происшествий, зафиксированных в течение заданного интервала времени в контролируемой системой УВД зоне воздушного пространстве, к общему количеству налетного времени за данный интервал. Измерение данного параметра в реальном масштабе времени позволяет оперативно следить за степенью соответствия работы системы УВД установленным нормативам.
Встроенные средства диагностики РТСН контролируют в основном техническое состояние его блоков и узлов и не дают представления о таких интегральных характеристиках, как зона видимости, вероятность обнаружения, точность определения координат воздушного судна, количество ложных тревог и т.п. Сложившийся механизм летных проверок РТСН позволяет оценивать перечисленные тактико-технические характеристики лишь на период проведения проверки (1-2 раза в год) и не дает гарантии, что все остальное время функционирования РЛС эти характеристики будут удовлетворять установленным нормам. К тому же, существующая методика летной проверки громоздка и трудоемка, так как предусматривает проведение расчетов, построение графиков и сравнительный анализ полученных результатов с эталонными. Действующая методика изложена в документе «Программы и методики наземных и летных проверок радиолокационных средств УВД», утвержденном Министром Гражданской Авиации СССР (изд-во «Воздушный транспорт», г.Москва, 1989 г., 112 с.).
Оценка уровня безопасности полетов в контролируемой зоне также не отвечает требованию оперативности, поскольку происходит путем подсчета обнаруженных воздушных инцидентов и происшествий за некоторый календарный период (полугодие, год).
Таким образом, одним из серьезных недостатков существующей системы управления воздушным движением является отсутствие средств, обеспечивающих объективный всесторонний, постоянный и оперативный контроль качества и достоверности информации о техническом состоянии РТСН и уровне безопасности полетов в реальном масштабе времени.
Попытки исправить положение предпринимались разработчиками как отечественных, так и зарубежных радиотехнических средств и автоматизированных систем (АС) УВД. Так, например, известно устройство контроля импульсной РЛС кругового обзора (патент РФ на изобретение №2025741 от 30.12.94, класс МКИ G10S 7/4 0), которое предназначено для оперативного контроля работоспособности радиолокатора управления воздушным движением по двум обобщенным диагностическим признакам. В качестве первого используются служебные импульсы, формируемые радиолокатором, в качестве второго - сигналы, принимаемые в результате отражения зондирующих импульсов от некоторого характерного местного предмета.
Указанное устройство предназначено для работы только с одной радиолокационной станцией и предполагает встраивание своих блоков непосредственно в радиолокатор. Это обстоятельство является существенным недостатком устройства, особенно в случае совместной эксплуатации целой системы РЛС, содержащей от 10 (в настоящее время) до 20 (в ближайшей перспективе) РЛС, как это принято в центрах управления воздушным движением.
Кроме того, метод контроля, используемый в названном изобретении, дает оперативную оценку работоспособности узлов и блоков РЛС, но не позволяет получить информацию о достоверности оценки текущей воздушной обстановки, то-есть не дает представления о тактико-технических характеристиках РЛС, таких, как зона видимости, вероятность обнаружения, точность определения координат воздушного судна, количестве ложных тревог и т.п.
Известна система контроля радиолокаторов «Modern Radar System Testing», разработанная шведской фирмой «AerotechTelub» и представленная на ежегодной Международной выставке производителей оборудования УВД в 2001 г. (Голландия, г.Маастрифт). Названная система представляет собой программно-аппаратный комплекс, который подключается к цифровым выходам РЛС и содержит блок обработки цифровой радиолокационной информации, блок документирования (или памяти), блок управления и блок представления информации, имеющий выход на монитор.
Недостатками указанной системы контроля радаров являются:
- возможность сопряжения только с одним РЛС;
- проведение анализа радиолокационной информации только по записи в блоке памяти, а не в реальном масштабе времени;
- отсутствие контроля зоны видимости РЛС, количества ложных тревог, вероятности искажения полетной информации;
- отображение радиолокационной информации только на одну плоскость в локальной системе координат;
- отсутствие возможности измерения уровня безопасности полетов в контролируемой зоне.
Известна также автоматизированная система контроля радиолокационных средств по свидетельству на полезную модель №22560 от 05.11.2001, которая содержит блок обработки аналоговой радиолокационной информации, блок обработки цифровой радиолокационной информации, блок сбора телеметрической информации, блок документирования, блок вторичной обработки радиолокационной информации, блок третичной обработки радиолокационной информации, блок статистической обработки радиолокационной информации, блок экспресс-анализа, блок управления и блок представления информации.
Данная система позволяет за счет использования вторичной и третичной обработки радиолокационной информации оперативно контролировать тактические параметры радиолокационных средств наблюдения воздушной обстановки.
Недостатками данной системы являются:
- невозможность осуществлять контроль параметров таких РТСН как системы АЗН и MLAT;
- недостаточная точность и достоверность оценок тактических параметров РЛС, связанная с низкой точностью траекторных измерений;
- отсутствие возможности измерения уровня безопасности полетов в контролируемой зоне.
К настоящему времени известно несколько систем АС УВД, где на основании разработанных математических моделей возникновения потенциально опасных ситуаций в воздухе производится оперативная оценка уровня безопасности полетов.
Так, например, в США существует система СТАS (Center/Tracon Automation System), основной задачей которой является помощь диспетчерам АС УВД в организации и управлению воздушного движения в зонах аэропортов. Система разработана Национальным Управлением Аэронавтики и Космонавтики (NASA) США. Одним из основных элементов системы является подсистема оценки вероятности конфликтов при полетах ВС. Однако, использованная в подсистеме математическая модель возникновения конфликтной ситуации, разработанная Paielli и Erzberger (см. Paielli, R.A.Conflict Probability Estimation Generalized to Non-Level Flight / R.A.Paielli, H.Erzberger. - Air Traffic Control Quarterly, vol.7, no.3, Oct. 1999. - pp 195-222.), мало чувствительна к быстрым изменениям воздушной обстановки. Метод не учитывает существование ошибок измерения скорости взаимного сближения пары ВС. В связи с этим оценка вероятности конфликтов происходит с большой ошибкой. Кроме того, в системе существует повышенный риск возникновения ложных тревог.
В Европейской организации по обеспечению безопасности полетов EUROCONTROL (European Organisation for the Safety of Air Navigation), которая объединяет 38 европейских стран, разработана программа по развертыванию наземных (ground based) и воздушных (airborne) сетей для обеспечения безопасности воздушного транспорта (safety nets). Воздушная сеть обеспечивает пилотов воздушных судов (ВС) необходимой информацией по оптимальному разрешению конфликта в воздухе. Наземная сеть является интегрированной частью системы организации воздушного движения, в которой на основе информации, поступающей от РТСН системы АС УВД, диспетчеры центров получают оперативную информацию о воздушном движении и возможность опережающего реагирования на конфликтные ситуации, возможность осуществления которых оценивается сетью. В случае если возможность возникновение конфликта велика, сеть выдает диспетчеру предупредительный сигнал как минимум за 2 минуты до его кульминации. Однако при этом не оценивается ни степень опасности конфликта, ни его вероятность, что не позволяет дать объективную оценку обнаруженному конфликту.
В национальной аэрокосмической лаборатории Нидерландов (NLR) разработан собственный метод оценки уровня безопасности полетов (см., Blom, H. Conflict probability and incrossing probability in air traffic management / H.Blom, G.J.Bakker. - IEEE Conference on Decision and Control, Las Vegas. - NV. - December. - 10-13, 2002.). Данный метод является обобщением известного с 60-х годов метода Рейха (см., Reich, P.G.Analysis of Long Range Air Traffic Systems / P.G.Reich. - Separation Standards - I, II, and III. - Journal of the Institute of Navigation 19. - 1966. - No. , pp.88-96; No.2, pp.169-176; No.3, pp.331-338.). Авторами метода были сняты некоторые наиболее обременительные аксиомы модели Рейха, однако основные особенности модели были сохранены. В частности на основании данных о положении ВС определяется риск столкновения, который в общем случае не равен вероятности столкновения ВС, а является лишь оценкой «снизу» данного параметра. Достоинством рассматриваемого метода является то, что он учитывает неопределенности (ошибки) определения координат и скоростей ВС. Недостатком метода является невозможность определить вероятность столкновения, поскольку, риск лишь примерно соответствует вероятности. Кроме того, метод требует больших вычислительных затрат, поэтому в настоящий момент он используется не для оперативной оценки уровня безопасности полетов, а для оценки данного параметра в системе планирования и моделирования воздушного движения TOPAZ (Traffic Organization and Perturbation AnalyZer).
Наиболее близким техническим решением к заявляемой системе контроля является система по свидетельству №22560 (см. выше).
Задачей предлагаемого решения является повышение надежности и достоверности оценки текущей воздушной обстановки при управлении воздушным движением за счет совместного объективного контроля тактико-технических характеристик РТСН и оценки уровня безопасности полетов в реальном масштабе времени.
Для решения поставленной задачи в систему контроля радиотехнических средств наблюдения воздушной обстановки, содержащую блок обработки аналоговой радиолокационной информации (1), блок обработки цифровой информации (2), блок сбора телеметрической информации (3), блок документирования (4), блок статистической обработки информации (7), блок экспресс-анализа (8), блок управления (9), блок представления информации (10) и общую шину данных (11), конструктивное решение части блоков изменено. Введены блок мультисенсорной траекторией обработки (5) и оценки уровня безопасности полетов (6). Причем первый выход блока мультисенсорной траекторией обработки (5) непосредственно соединен с входом блока оценки уровня безопасности полетов (6), выходы блоков обработки аналоговой радиолокационной информации (1), обработки цифровой информации (2) и сбора телеметрической информации (3) через общую шину данных (11) соединены с входами блоков документирования (4), мультисенсорной траекторией обработки (5), статистической обработки информации (7) и экспресс-анализа (8), второй выход блока мультисенсорной траекторией обработки (5) и выход блока уровня безопасности полетов (6) через общую шину данных (11) соединены с входами блоков документирования (4), статистической обработки информации (7) и экспресс-анализа (8), управления (9) и представления информации (10), при этом выход блока экспресс-анализа (8) через общую шину данных (11) соединен со входом блока документирования (4), первый выход блока управления (9) непосредственно соединен со вторым входом блока документирования (4), второй выход блока управления (9) непосредственно соединен со вторым входом блока представления информации (10), выход которого является выходом системы и выполнен с возможностью подключения к монитору и принтеру.
Введение новых блоков в систему позволяет проводить анализ качества функционирования как отдельных узлов и блоков совокупности РТСН, так и объективно контролировать их тактико-технические параметры в реальном масштабе времени. Кроме того, предлагаемая система позволяет оценивать уровень безопасности полетов и определять степень тяжести обнаруженных в контролируемом пространстве конфликтных ситуаций. Таким образом, применение предлагаемой системы гарантирует повышение надежности и достоверности информации о текущей воздушной обстановке при управлении воздушным движением.
Заявляемая автоматизированная система контроля РЛС поясняется следующими иллюстрациями:
на фиг.1 представлена структурная схема системы;
на фиг.2-8 представлены копии документов, подготовленных с помощью предлагаемой системы для одного из контролируемых радиолокационных комплексов. На иллюстрациях показаны:
фиг.2 - зона видимости и вероятность обнаружения в проекции на горизонтальную плоскость;
фиг.3 - то же в проекции на вертикальную плоскость;
фиг.4 - пример акта летных проверок;
фиг.5 - реальная радиолокационная обстановка в проекции на горизонтальную плоскость;
фиг.6 - реальная радиолокационная обстановка в проекции на вертикальную плоскость;
фиг.7 - Пример отображения информации в режиме «3-D»;
фиг.8 - Пример отображения информации о СКО по дальности как функций дальности и угла и о разрешающей способности по дальности.
Предлагаемая автоматизированная система контроля радиотехнических средств наблюдения воздушной обстановки содержит (см. фиг.1) блок обработки аналоговой радиолокационной информации 1, блок обработки цифровой информации 2, блок сбора телеметрической информации 3, блок документирования 4, блок мультисенсорной траекторной обработки 5, блок оценки уровня безопасности полетов 6, блок статистической обработки радиолокационной информации 7, блок экспресс-анализа 8, блок управления 9, блок представления информации 10 и шину передачи данных 11.
При этом входы блоков 1, 2 и 3, являющиеся входами системы контроля, подключены к выходам контролируемых радиотехнических систем наблюдения (их количество зависит от оснащенности конкретного центра УВД и может составлять 10-20), а выходы блока представления информации 10, являющиеся выходом системы контроля, соединены с монитором и принтером. Выходы блоков 1, 2, 3 через шину данных 11 связаны с входами блоков 4, 5, 7, 8. Первый выход блока 5 непосредственно соединен с входом блока 6. Кроме того, второй выход блока 5 и выход блока 6 через общую шину данных 11 соединены с входами блоков 4, 7, 8, 9 и 10. Выход блока 8 через общую шину данных 11 соединен с первым входом блока 4, первый выход блока 9 непосредственно соединен с вторым входом блока 4, второй выход блока 9 непосредственно соединен со вторым входом блока 10.
Блоки 1 и 2 обработки первичной радиолокационной информации могут быть реализованы аппаратно на базе программируемых логических интегральных схем в виде плат расширения для промышленно выпускаемых компьютеров.
Блок 3 сбора телеметрической информации может быть реализован на базе промышленно выпускаемых модулей сбора и обработки аналоговых и дискретных сигналов.
Блок 4 документирования может быть выполнен на основе стандартных магнитных носителей информации.
Блоки 5, 6, 7, 8, 9 и 10 мультисенсорной траекторией обработки, статистической обработки РЛИ, экспресс-анализа, управления и представления информации соответственно могут быть реализованы программно на базе современных языков программирования высокого уровня.
Заявляемая система работает следующим образом.
Данные о воздушных судах, находящихся в контролируемой зоне, с выходов РТСН поступают на вход системы контроля (СК). При этом происходит разделение сигналов: при сопряжении СК с РЛС по аналоговому выходу РЛС аналоговые сигналы поступают на вход блока обработки аналоговой информации 1, при сопряжении по цифровому выходу - на вход блока цифровой обработки 2. Сигналы с системы АЗН и MLAT являются цифровыми, поэтому они всегда подаются на блок цифровой обработки 2. Сигналы, характеризующие техническое состояние блоков и узлов РТСН, поступают на вход блока сбора телеметрической информации 3.
Блок 1 осуществляет первичную обработку радиолокационной информации, выделяет активные цели на фоне шумов, декодирует ответы бортовых ответчиков и выдает информацию о движущихся целях и азимутальных метках в цифровом виде.
Блок 2 принимает цифровые сигналы в определенном для данной системы информационном протоколе и производит декодирование содержащейся в сигнале цифровой информации. На выходе блока 2 сигнал также имеет цифровой формат.
Блок 3 обрабатывает поступающие на него сигналы телеметрии, объединяет их и также выдает в цифровом виде.
Полученные с выходов блоков 1, 2 и 3 цифровые сигналы поступают на общую шину данных 11 и передаются по ней в блоки документирования 4, мультисенсорной траекторной обработки 5, статистической обработки 7 и блок экспресс-анализа 8.
В блоке документирования 4 поступившая информация синхронизируется по сигналам всемирного координированного времени, поступающим от внешней или встроенной системы единого времени (СЕВ), и архивируется на магнитные носители. Таким образом, блок 4 служит в качестве блока памяти в описываемой системе.
В блоке 5 мультисенсорной траекторной обработки по поступившим в него отметкам воздушных судов от РТСН производится обнаружение, завязывание и подтверждение новых треков; идентификация отметок и существующих к данному времени треков; уничтожение ложных треков; сглаживание и экстраполирование с использованием фильтра-эктраполятора существующих треков, находящихся на сопровождении. Результатом работы фильтра-экстраполятора являются экстраполированные и сглаженные отметки о положении сопровождаемых воздушных судов и корреляционные матрицы ошибок измерений. Совместная обработка данных от радиолокационных (РЛС), спутниковых (АЗН) и наземных многопозиционных навигационных систем (MLAT) о положении воздушных судов позволяет существенно повысить качество траекторией обработки и тем самым объективно контролировать тактико-технические параметры РТСН в реальном масштабе времени и с высокой точностью.
Информация о положении сопровождаемых воздушных судов через шину данных 11 передается в блоки документирования 4, статистической обработки 7 и представления информации 10. Полная информация о траектории движения воздушных судов (экстраполированные и сглаженные отметки о положении и корреляционные матрицы ошибок измерений) поступают в блок оценки уровня безопасности полетов 6, где на основании поступивших данных определяется вероятность столкновения, оценивается уровень безопасности полетов по секторам и эшелонам контролируемого воздушного пространства, обнаруживаются нарушения правил использования воздушного пространства (правил эшелонирования). Таким образом, введение блока 6 гарантирует повышение надежности и достоверности информации о текущей воздушной обстановке при управлении воздушным движением. Информация, полученная в блоках 5 и 6 поступает на общую шину 11 и далее также передается в блоки документирования 4, статистической обработки 7 и представления информации 10.
Обработка информации, поступающей в блок статистической обработки информации 7, проводится в соответствии с методиками наземных и летных проверок радиолокационных и других технических средств УВД (см. наименование документа выше), а также с методикой оценки уровня безопасности полетов. С выхода блока 7 на шину 11 передаются автоматически созданные акты летных проверок РЛС и следующие характеристики РТСН и характеристики безопасности полетов в контролируемой зоне:
- зоны видимости в горизонтальной и вертикальной плоскостях;
- теоретические зоны видимости РТСН по углам закрытия конкретной позиции;
- вероятность обнаружения воздушного судна;
- максимальная и минимальная дальности обнаружения;
- среднее и максимальное количество ложных тревог за один обзор РЛС;
- среднеквадратические ошибки по дальности и азимуту;
- разрешающая способность по дальности и азимуту;
- уровень безопасности по секторам и эшелонам;
- вероятность и риск столкновения воздушных судов.
Информация, поступившая в блок 8 экспресс-анализа, проходит обработку и специальный анализ за каждый период обновления информации РТСН. В результате с выхода блока 8 на общую шину 11 поступает оперативная информация, выражаемая следующими характеристиками РТСН и безопасности полетов за текущий период:
- вероятность обнаружения;
- вероятность получения дополнительной информации;
- вероятность битовой ошибки в канале связи,
- обнаруженные конфликтные ситуации и нарушения норм использования воздушного пространства;
- вероятности столкновения воздушных судов на текущий момент.
Таким образом, на общей шине 11 в любой момент времени присутствует вся текущая информация от РТСН, а также информация, поступающая от блока документирования 4, блока статистической обработки 7 и блока экспресс-анализа 8.
С выходов блоков 4, 7 и 8 информация через шину 11 поступает в блок управления 9, который ее обрабатывает и передает в блок 10 представления (отображения) информации.
Блок управления 9 выполняет следующие функции:
- выбор конкретного РЛС и нужного временного интервала для воспроизведения РЛИ и тактико-технических характеристик из блока документирования 4 за этот временной интервал;
- выбор конкретного РЛС для отображения текущей РЛИ, или текущих характеристик и акта летных проверок;
- выбор конкретного РЛС для получения твердых копий перечисленных выше документов;
- выбор параметра безопасности, интервал отчетности, формы представления информации в блоке отображения (диаграммы, графики, текстовый документ).
Выбор производится по указанию пользователя. Для его реализации введены две дополнительные сигнальные цепи: цепь обратной связи 12, соединяющая один из выходов блока управления 9 со вторым входом блока документирования 4, и цепь 13, по которой на второй вход блока 10 представления информации из блока управления 9 поступают специальные установки.
В блоке представления 10 радиолокационная информация в зависимости от выбора пользователя может быть представлена следующим образом:
- в табличном виде;
- в виде графиков;
- в виде диаграмм;
- в виде проекции трехмерного пространства на горизонтальную плоскость в локальной системе координат;
- в виде проекции трехмерного пространства на вертикальную плоскость в локальной системе координат;
- отображением трехмерного пространства с привязкой к геодезическим координатам;
- отображением зоны видимости РЛС в вертикальной и горизонтальной плоскостях, где вероятность обнаружения для элемента зоны видимости кодируется цветом с оттенками.
Для создания жестких копий документов информация с блока 10 выводится на монитор или на принтер. Примеры жестких копий некоторых видов РЛИ представлены на фиг.2-9.
Предлагаемая система контроля радиотехнических средств способна сопрягаться одновременно с 10-20 источниками информации и может проводить анализ их функционирования как по записи (из блока памяти), так и в реальном масштабе времени. Это дает возможность оперативного текущего контроля характеристик технических средств управления воздушным движением и показателей безопасности полетов в контролируемой зоне воздушного пространства.