Системи спостереження за повітряною обстановкою

СИСТЕМИ СПОСТЕРЕЖЕННЯ ЗА ПОВІТРЯНОЮ ОБСТАНОВКОЮ

1. Класифікація систем спостереження за повітряною обстановкою

Всі використовувані на цей час і перспективні системи спостереження за повітряною обстановкою, які позначені Комітетом FANS терміном Surveillance System, поділяються на два основних типи:

- системи залежного спостереження;

- системи незалежного спостереження.

У системах залежного спостереження місце розташування ПС або якогось іншого транспортного засобу визначається на його борті, а згодом отримані та обраховані дані передаються органу ОПР. До систем залежного спостереження додане обладнання передачі мовних повідомлень екіпажів про місце розташування ПС VPR (Voice Position Reports), а також бортове і наземне обладнання автоматичного залежного спостереження ADS. При цьому ADS підрозділяється на два основних типи:

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

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

Обладнання ADS-A, яке називають також ADS-С (контрактне), автоматично посилає з борта ПС дані про своє місце розташування органу ОПР на землі через визначені інтервали часу або у визначених і заздалегідь застережених випадках. Періодичність передачі даних або особливі випадки, коли мають передаватися повідомлення, встановлює орган ОПР.

Обладнання ADS-В припускає радіомовний принцип передачі даних про місце розташування ПС. Використовувати ці дані може будь-який учасник повітряного руху або орган керування повітряним рухом (КПР), незалежно від того, знаходиться він на землі або в повітрі. Період відновлення інформації в цьому випадку встановлюється сталим із значенням залежно від щільності повітряного руху в тому чи іншому районі повітряного простору.

Незалежні системи спостереження припускають використання обладнання, яке визначає місце розташування ПС, безпосередньо на землі. Бортове обладнання в цьому випадку участі у визначенні місця розташування ПС не приймає.

Незалежне спостереження може здійснюватися первинними оглядовими радіолокаторами PSR (Primary Surveillance Ra-dar) або вторинними оглядовими радіолокаторами SSR (Secon-dary Surveillance Radar). Вторинні радіолокатори підрозділяються на традиційні ВРЛ, принцип дії яких заснований на обробці пакета сигналів відповідей, моноімпульсні вторинні оглядові радіолокатори МSSR (Monopulse Secon-dary Surveillance Radar), а також моноімпульсні ВРЛ, що працюють у режимі S [2]. До незалежних систем спостереження з деякими застереженнями можуть бути віднесені також пасивні оглядові системи, принцип дії яких заснований на диференціальному оцінюванні часу запізнювання приходу сигналів від декількох рознесених у просторі приймачів. Від бортового обладнання при цьому потрібно лише періодичне випромінювання імпульсних сигналів з ідентифікаційним номером ПС або якогось іншого транспортного засобу, який переміщується льотним полем. Такі системи отримали назву маякових систем з оцінкою різниці запізнювання сигналів TDOA BML (Time Dif-fe-rence of Arrival Beacon Multilateration).

2. Спостереження на основі передачі мовних повідомлень

Спостереження на основі передачі мовних повідомлень використовується в основному там, де з тої чи іншої причини відсутня можливість застосування радіолокаційного спостереження. Частіше всього такий вид спостереження застосовується в повітряному просторі над океаном або в континентальному просторі з великими важкодоступними ділянками суші. Екіпажі ПС передають повідомлення про своє місцезнаходження органам ОПР за допомогою відповідних засобів радіозв'язку безпосередньо або через станцію авіаційного зв'язку з наступною їхньою ретрансляцією органам КПР. Для зв'язку використовуються несучі високі радіочастоти HF (High Frequency) або дуже високі радіочастоти VHF (Very High Frequency).

Основними недоліками такого виду спостереження є незначна оперативність, невелика інформативність і мала швидкість передачі повідомлень. Крім того, передача мовних повідомлень потребує від екіпажів ПС і особливо від диспетчерського складу наземних служб значних витрат часу, відволікаючи їх від виконання своїх основних функцій. Концепція розвитку систем CNS/ATM припускає заміну цього виду спостереження на більш досконалі системи.

3. Автоматичне залежне спостереження ADS

Системи автоматичного залежного спостереження ADS [3] припускають, що місце розташування ПС визначається безпосередньо на борту, і потім ця інформація передається на землю органам ОПР. Разом із координатною інформацією на землю передається додаткова польотна інформація, що істотно підвищує ефективність роботи ОПР.

Для роботи системи ADS необхідно на борту мати високоточне і надійне радіонавігаційне обладнання, а між бортом і землею - високопродуктивну систему зв'язку “борт - земля”. Функціональні можливості системи ADS можуть бути значно розширені, якщо будуть організовані автоматичні канали зв'язку “земля - борт”, а також наземні канали зв'язку між окремими пунктами системи ОПР.

Сьогодні є два види систем АЗС:

- “контрактне ”, або “адресне”, АЗС, яке позначається зазвичай як ADS-А, ADS-C (Automatic Dependent Surveillance - Contract) або просто ADS;

- “радіомовне” АЗС, яке позначається як ADS-В.

Обладнання ADS-А (ADS-C) автоматично посилає з борта ПС дані про своє місцезнаходження або періодично, або у певних ситуаціях польоту. Орган ОПР має можливість через свої технічні засоби, що взаємодіють з бортовою апаратурою ADS, установити періодичність відновлення необхідної інформації (так званий “періодичний контракт”) або заздалегідь обумовити ситуації, у яких передаватимуться на землю визначені види й обсяги інформації (так званий “контракт за подіями”).

Періодичним контрактом установлюється часовий інтервал для регулярних автоматичних доповідей про місцезнаходження ПС. Базова доповідь про місце розташування може бути доповнена іншими даними, поля для яких у форматі переданих повідомлень зарезервовані і можуть бути використані за вимогою диспетчера. Коли встановлений режим “контракту за подіями”, тоді доповідь про місце розташування ПС піде з борту після виникнення таких подій (з переліку встановлених диспетчером):

- відхилення ПС від заданого ешелону у певних допусках;

- відхилення ПС від заданого маршруту польоту на певну відстань;

- проліт пунктів обов'язкових повідомлень;

- проліт пунктів повідомлень за запитом тощо.

Контрактне ADS не призначене для заміни існуючих систем радіолокаційного спостереження, і його застосування обмежується областями повітряного простору, де використовуються процедурні методи ОПР.

Радіомовне автоматичне залежне спостереження ADS-В - це удосконалений метод ADS, який передбачає періодичну радіомовну передачу даних про місце розташування ПС та іншу польотну інформацію, наявну на борту. Будь-який споживач у повітрі або на землі в межах дальності радіомовної передачі може обробляти і використовувати цю інформацію у своїх цілях. Зокрема, інформація про ідентифікаційний номер ПС і його місце розташування може бути використана не тільки наземними службами КПР, але і бoртовими системами попередження зіткнення ACAS (Airborne Collision Avoidance System).

Для передачі повідомлень у різноманітних системах ADS_В можуть бути використані радіолокаційні бортові відповідачі, які працюють у режимі S із довільним протоколом радіомовлення, лінії цифрового зв'язку VDL (VHF-Data Link) МХ-діапазону радіохвиль у режимі 4, що використовує самоорганізований протокол із поділом за часом, і приймачі-передавачі універсального доступу. Передбачається, що системи спостереження ADS-В використовуватимуться доповненням вторинних оглядових радіолокаторів для заповнення розривів у радіолокаційному полі, а також можливо як засоби заміни ВРЛ за умови низькою і середньої щільності повітряного руху.

Системам АЗС та їхньому використанню притаманні такі недоліки:

- необхідність розвитку відповідної наземної інфраструктури;

- ускладнення операцій КПР у тих районах, де обслуговуються ПС, споряджені і не споряджені обладнанням ADS;

- ускладнення операцій КПР на стиках районів із уведеними і не уведеними системами ADS;

- необхідність уведення нових процедур ОПР.

4. Спостереження на основі використання первинних радіолокаторів

Використання первинних радіолокаторів PSR для спостереження за повітряною обстановкою не потребує ніякого додаткового обладнання на борту, тобто така система спостереження є цілком незалежною. За допомогою первинних радіолокаторів визначаються дві координати ПС: похила дальність і азимут. Точність і розділова здатність отримуються достатньо високими для ОПР. На жаль, третю координату - барометричну висоту ПС - визначити за допомогою первинного радіолокатора не можливо. Не визначається також і інша додаткова польотна інформація: індивідуальний номер літака, залишок палива, вектор шляхової швидкості, особливі випадки в польоті тощо.

З метою найбільш можливого задоволення вимог, висунутих службами КПР до систем спостереження, усі первинні радіолокатори підрозділяються на окремі класи:

- оглядові радіолокатори трасові (варіант А);

- оглядові радіолокатори трасові (варіант Б);

- оглядові радіолокатори аеродромні (варіант В1);

- оглядові радіолокатори аеродромні (варіант В2);

- посадкові радіолокаційні станції;

- радіолокатори огляду льотного поля;

- метеорологічні радіолокатори;

- комбіновані радіолокатори для місцевих повітряних ліній.

Такий розподіл первинних радіолокаторів на окремі класи призводить до того, що виникають значні труднощі у спробі уніфікувати радіолокаційне обладнання.

Системам спостереження, які функціонують на базі первинних оглядових радіолокаційних станцій, притаманні такі основні недоліки:

- низька інформативність, пов'язана з неможливістю отримання додаткової польотної інформації;

- велике споживання енергії;

- високий рівень завад, пов'язаних із відбитими сигналами від місцевих предметів;

- обмеження зони огляду, обумовлені конфігурацією ДН антени у прямовисній площині і необхідністю виконання умови прямої видимості між радіолокатором і ПС.

У зв'язку з зазначеними вище недоліками, а також із розширенням використання сучасних систем спостереження застосування первинних радіолокаторів ОПР поступово скорочуватиметься. Пeрвинні радіолокатори найближчими роками, в основному, використовуватимуться для деяких операцій в аеродромній зоні, для контролю руху ПС і автомобільного транспорту на льотному полі, а також для метеорологічних спостережень.

5.Спостереження на основі використання вторинних оглядових радіолокаторів

Вторинні оглядові радіолокатори можуть бути віднесені до засобів незалежного спостереження лише умовно, оскільки координатна інформація в них дійсно визначається незалежно від бортових навігаційних систем, а додаткова польотна інформація (індивідуальний номер ПС, барометрична висота й у деяких режимах залишок палива, вектор шляхової швидкості) виробляється бортовими технічними засобами, але й у тому, і в іншому випадках для передачі відповіді використовується бортовий відповідач, що виконує роль активного ретранслятора в лініях зв'язку “земля - борт” і “борт - земля”.

Вторинні радіолокатори класифікуються за різними ознаками, зокрема, за принципом отримання координатної інформації (моноімпульсні або традиційні з обробкою пакета сигналів відповіді), за режимами запиту (RBS, УВД, УВД-М, S), за тактичним призначенням (трасові, аеродромні, посадкові). Вторинні радіолокатори у порівнянні з первинними, незалежно від класу і типу, мають такі загальні переваги:

- підвищена інформаційна спроможність, що дозволяє автоматично ідентифікувати об'єкти спостереження і здійснювати КПР за чотирма координатами: похилою дальністю, азимутом, висотою і часом;

- велика інструментальна дальність дії за умови малих енергетичних витрат;

- малий рівень завад від місцевих предметів і метеоутворень;

- малий рівень випромінюваної потужності.

Системам спостереження, заснованим на використанні ВРЛ, властиві загальні недоліки:

- необхідність спорядження всіх ПС відповідачами;

- необхідність уведення до апаратури запитувачів і відповідачів систем придушення сигналів бокових пелюсток діаграм напрямленості антен за запитом і відповіддю;

- високий рівень внутрішніх системних завад.

Крім наведених вище загальних недоліків систем спостереження з використанням ВРЛ у кожного класу таких радіолокаторів є свої індивідуальні недоліки. Так, наприклад, у всіх типів радіолокаторів, крім працюючих у дискретно-адресному режимі, відсутній автоматичний інформаційний канал за лінією “земля - борт”. Інформаційні можливості каналу “борт - земля” також обмежені: під час роботи в режимах RBS потенційні можливості кодів відповідей визначаються дванадцятьма бітами. У режимах УВД потенційні можливості кодів відповіді обмежуються двадцятьма бітами, але вони використовуються нераціонально, що призводить до значного збільшення часової бази коду.

У вторинних радіолокаторів із обробкою пакета сигналів відповіді розділова здатність і точність за азимутом гірші, ніж у первинних радіолокаторів. Це призводить до значних труднощів під час розподілу сигналів і дешифрації кодів відповідачів ПС, розташованих на близьких відстанях один щодо іншого і приблизно на однакових пеленгах. Для підвищення азимутальної точності таких радіолокаторів, якщо ширина діаграм напрямленості антен однакові, необхідно збільшувати кількість імпульсів у пакеті, тобто збільшувати частоту запитів, що автоматично призводить до значного збільшення внутрішніх системних завад. Компромісним рішенням цього протиріччя є використання моноімпульсного засобу прийому й обробки відповідей, а радикальним вирішенням задачі усунення внутрішніх системних завад і збільшення інформаційної спроможності - застосування моноімпульсних дискретно-адресних ВРЛ з режимом S.

Завдяки підвищеним у порівнянні з первинними радіолокаторами інформаційним можливостям, ВРЛ сьогодні стали основним засобом спостереження за повітряною обстановкою. Згідно з концепцією розвитку систем CNS/ATM вторинні радіолокатори і надалі залишатимуться основним засобом спостереження, але їхні параметри зазнають значних змін. Вже сьогодні ці радіолокатори отримали найбільше поширення. Надалі більш широке поширення отримують ВРЛ з дискретно-адресним запитом і з роботою в режимі S різних рівнів.

6. Спостереження на основі використання дискретно-адресних систем вторинної радіолокації

Основними концептуальними особливостями дискретно-адресних систем вторинної радіолокації є:

- індивідуальна адресація запитів;

- принципова можливість отримання інформації з однієї відповіді за індивідуальним запитом;

- сумісність з існуючими неселективними системами ВРЛ;

- можливість еволюційного переходу від неселективних до селективних систем вторинної радіолокації.

Індивідуальна адресація запитів забезпечується тим, що в режимі S кожне ПС має свою адресу і може запитуватися в індивідуальному порядку.

Як адреса у режимі S використовується індивідуальна кодова комбінація з 24 бітів, надана кожному ПС на міжнародній основі. Ця комбінація є унікальним технологічним ім'ям ПС.

Застосування адресного запиту усуває більшість проблем, пов'язаних із появою синхронних і несинхронних завад у традиційних системах вторинної радіолокації. Частота запитів може бути обрана низькою, завдяки чому значно розширюються інформаційні можливості системи як за лінією “земля - борт”, так і за лінією “борт - земля”. Обмін інформацією може провадитися блоками у 56 або 112 біт (стандартне або подовжене повідомлення). У разі потреби можуть передаватися ще більш довгі повідомлення, утворені послідовним з'єднанням декількох подовжених повідомлень.

Висока точність визначення азимута цілі одночасно з низькою частотою запитів і відповідей забезпечується застосуванням моноімпульсного методу прийому сигналів відповідей. Цим самим пояснюється дуже висока азимутальна розділова здатність радіолокаторів.

Сумісність дискретно-адресних систем вторинної радіолокації з традиційними і неселективними системами, які працюють у режимах RBS і УВД, забезпечується такими технічними рішеннями:

- наземне і бортове обладнання режиму S використовує однакові несучі радіочастоти запиту і відповіді і мають однакову поляризацію радіохвиль, що й обладнання RBS;

- наземні запитувачі режиму S можуть генерувати коди запиту й обробляти сигнали відповіді режимів RBS і УВД;

- відповідачі режиму S мають можливість відповідати на запити режимів RBS кодами, які відповідають кодам обладнання, яке працює в режимах RBS і УВД.

Особлива увага приділяється можливості еволюційного впровадження дискретно-адресних систем. З огляду на нерівномірність розвитку повітряних перевезень і економічні чинники, основні етапи впровадження селективних систем рекомендуються в такому вигляді:

- уведення в експлуатацію моноімпульсних запитувачів, які забезпечують роботу неселективних систем вторинної радіолокації;

- спорядження ПС відповідачами режимів S;

- спорядження моноімпульсних запитувачів апаратурою, спроможною працювати в режимі S;

- розширення можливостей дискретно-адресних систем запровадженням в експлуатацію автоматичних ліній передачі даних режиму S;

- використання можливостей ліній передачі даних режимів S у глобальній мережі аеронавігаційного зв'язку ATN (Aero-nautical Telecommunication Network);

- широке впровадження систем попередження зіткнення ПС більш високого рівня, наприклад, ACAS II (Airborne Colli-sion Avoidance System - бортова система попередження зіткнення).

Незважаючи на очевидні переваги систем спостереження, заснованих на використанні дискретно-адресних ВРЛ, упровадження їх в експлуатацію відбувається повільно і надзвичайно нерівномірно. Пояснюється це декількома причинами, головними з яких є:

- ефективність системи та її переваги перед іншими системами спостереження виявляються найбільш сильно за великої щільності повітряного руху, а також у тих випадках, коли на неї покладається виконання ряду додаткових функцій: організацію автоматичних високопродуктивних ліній зв'язку, попередження зіткнення ПС тощо;

- для ефективного використання системи необхідно, щоб на кожному ПС був установлений відповідач, спроможний працювати в режимі S;

- зона ОПР обмежується зоною видимості наземного запитувача;

- для ефективної роботи системи має бути підготовлена відповідна наземна інфраструктура;

- дуже високі матеріальні й економічні витрати.

7. Спостереження на основі використання системи все направлених пасивних радіомаяків

Системи всенаправлених пасивних радіолокаторів одержали деякий розвиток в аеропортах із дуже великою інтенсивністю повітряних перевезень. Основне призначення таких систем - контроль і керування рухом ПС або автомобільного транспорту на льотному полі.

Принцип дії системи полягає в диференціальному оцінюванні часу запізнення надходження генерованих бортовими передавачами сигналів на приймальні пристрої, які розташовані у визначених заздалегідь точках контрольованої зони (рис.1). Прийняті прий-мачами Пр1, Пр2 і Пр3 сигнали у певній послідовності з додатковими затримками t₁, t₂, t₃ передаються до центрального пункту для подальшої обробки. Затримки обрані таким чином, щоб прий-няті сигнали не накладалися один на одного.

Розташований на центральному пункті процесор вирішує задачу, яка описується системою рівнянь:

,

де t₁, t₂ і t₃ - моменти часу приходу сигналів на центральний пункт; T₁, T₂ і T₃ - затримки, обумовлені проходженням сигналів від приймача до центрального пункту; t'₁, t'₂ і t'₃ - затримки, обумовлені проходженням сигналів від об'єкта спостереження (ПС) до окремих приймачів; t₀ - поточне значення відліку часу. Відповідні відстані визначаються за формулами:

; ; ,

де с - швидкість світла.

Рис.1. Принцип побудови багатопозиційних пасивних систем спостереження

За координатами приймачів X₁, Y₁; X₂, Y₂; X₃, Y₃ і відстанями r₁, r₂, r₃ обчислюються координати Х_ПС, Y_ПС об'єкта спостереження.

Для однозначного визначення положення об'єкта спостереження необхідно мати, як мінімум, три приймачі. Загальна кількість використовуваних у системі приймачів залежить від розмірів і конфігурації контрольованої зони.

Можливі різні варіанти побудови такої системи спостереження: із використанням синхронізуючих запитувачів; з організацiєю двосторонніх каналів зв'язку; із використанням відповідачів, що працюють у режимі S для ідентифікації об'єктів спостереження тощо. Незалежно від варіанта реалізації таких систем принцип одержання координатної інформації в них залишиться незмінним.

Ця система спостереження має такі основні переваги перед іншими:

- висока точність визначення координат спостережуваних об'єктів;

- високі можливості за кількістю одночасно спостережуваних об'єктів;

- мале споживання електроенергії;

- відсутність мікрохвильових елементів високої потужності;

- можливість роботи без постійної присутності обслуговуючого персоналу;

- мала вартість системи і малі експлуатаційні витрати.

Недоліками системи є обмежені розміри контрольованої зони простору і необхідність спорядження кожного об'єкта спостереження імпульсним передавачем.