Разработка бортового модема для обмена данными FANS В самолетов В-757/767

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ УЗБЕКИСТАН

ТАШКЕНТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. А.Р. БЕРУНИ

АВИАЦИОННЫЙ ФАКУЛЬТЕТ

КАФЕДРА: «ЭКСПЛУАТАЦИЯ РАДИОЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И АЭРОПОРТОВ»

Направление образования: 5524600 - «Эксплуатация авиационного радиоэлектронного оборудования летательных аппаратов»

Выпускная квалификационная работа

ТЕМА: "РАЗРАБОТКА БОРТОВОГО МОДЕМА ДЛЯ ОБМЕНА ДАННЫМИ FANS В САМОЛЕТОВ В-757/767"

Выполнил: Урманхужаев З.З.

Ташкент-2014г.

Оглавление

• Введение
• 1.1 Существующая аэронавигационная система и ее основные недостатки
• 1.2 Будущая аэронавигационная система и мероприятия ИКАО по построению систем СNS
• 1.3 Требования FANS к передаче бортовых данных
• 1.4 Общие сведения о бортовом оборудовании для работы системы FANS
• 1.5 Анализ существующего варианта бортового модема, устанавливаемого на самолете
• Глава II. Разработка бортового модема для обмена данными fans в самолетах В-757/767
• 2.1 Разработка схемы бортового модема
• 2.2 Разработка программного обеспечения для бортового модема
• 2.3 Отладка разработанной программы
• Глава III. Экономическое обоснование
• 3.1 Расчет экономической эффективности разработки
• Глава IV. Безопасность жизнедеятельности
• Заключение
• Список используемой литературы

Введение

В мае 1988 года комитет FANS - этап I завершил свою работу, разработав концепцию систем СNS, основанную на использовании спутников, линий передачи данных и автоматических систем. Одновременно Совету ИКАО было рекомендовано в срочном порядке создать новый комитет (FANS - этап II) для подготовки рекомендаций по контролю и координации разработки, а также планированию перехода к будущей системе на рентабельной основе с учетом интересов конкретных географических районов.

В сентябре 1991 года на десятой аэронавигационной конференции государства-члены ИКАО одобрили концепцию CNS/ATM, реализация которой позволит гражданской авиации преодолеть во всемирном масштабе известные недостатки существующей системы и воспользоваться преимуществами новейших технологий для обеспечения прогнозируемого развития авиации в XXI веке.

За годы, прошедшие после завершения работы комитетов FANS, в ряде государств и во всех регионах ИКАО было начато осуществление программ внедрения систем ОрВД, призванных повысить эффективность деятельности авиации посредством использования технологий CNS/ATM. Однако позднее было признано, что технология не является самоцелью и что необходимо создать всеобъемлющую концепцию единой и глобальной системы ОрВД, основанной на четко сформулированных эксплуатационных требованиях. Эта концепция, в свою очередь, послужит фундаментом для скоординированного внедрения технологий CNS/ATM на основе четко определенных требований. Разработку этой концепции поручили учрежденной Аэронавигационной комиссией ИКАО Группе экспертов по эксплуатационной концепции организации воздушного движения.

В сентябре-октябре 2003 г. состоялась одиннадцатая Аэронавигационная конференция, на которой был отмечен существенный прогресс во многих аспектах внедрения систем CNS/ATM и рассмотрены конкретные элементы обновленного подхода к организации воздушного движения с учетом развития технологии CNS.

В настоящее время, в связи с резким увеличением интенсивности воздушного движения, остро встала проблема его автоматизации. Для решения этой проблемы EUROCONTROL совместно с другими авторитетными организациями, контролирующими воздушное движение, принял программу развития авионики и наземной инфраструктуры управления воздушным движением CNS ATM(Communication, Navigation, Surveillance - Air traffic management - Связь, навигация и наблюдение при управлении воздушным движением) [1-3].

Одним из направлений CNS ATM является создание «Аэронавигационной системы будущего - Future Air Navigation System - FANS», которая позволяет заменить речевой обмен информацией между пилотом и диспетчером передачей данных в автоматическом режиме. Структура системы FANS и принцип ее работы описан в [4].

По этому в настоящий выпускной квалификационной работе было поставлено задача разработка бортового модема для обмена данными FANS в самолетов В-757/767.

Глава I. Основные сведения перспективы развития аэронавигационной системы и современной авионики

1.1 Существующая аэронавигационная системе и ее основные недостатки

В начале 1980-х годов ИКАО признала обостряющиеся ограничения существующих систем аэронавигации и необходимость их совершенствования для удовлетворения потребностей гражданской авиации в XXI веке. Образованный с этой целью специальный комитет1, получивший в последующем название комитета FANS (Future Air Navigation System-перспективная аэронавигационная система) - этап I, в своей работе исходил из следующих основных положений:

- во всех регионах мира будет отмечаться увеличение потребности в воздушном движении и в ряде регионов, по истечению определенного времени интенсивность воздушного движения будет превышать уровень, который существующая система в состоянии обеспечить. Этот фактор совместно с мерами по защите окружающей среды будет накладывать все более жесткие ограничения на производство полетов и может привести к серьезным экономическим последствиям;

- решить эту проблему путем простого расширения существующей системы не представляется возможным в силу ограниченных возможностей подсистем связи, навигации и наблюдения по дальности действия, внедрению и эксплуатации в труднодоступных районах, пропускной способности и/или точности и надежности;

- практическое применение в гражданской авиации имеющихся новых средств и технологий является единственной возможностью преодолеть имеющиеся трудности и удовлетворить потребности в следующем столетии;

- внедрение новых технических средств, многие из которых являются глобальными по своему характеру, будет происходить в различных регионах мира в разное время. Поэтому необходимо проводить согласованную политику и осуществлять переход к новой системе таким образом, чтобы соответствующий уровень ОрВД гарантировался во всем мировом воздушном пространстве, независимо от состояния внедрения в различных районах полетной информации (РПИ).

В процессе формирования новой концепции CNS/ATM комитет исходил из того, что новая система CNS должна обеспечивать:

- связь, навигацию и наблюдение в глобальном масштабе на всех высотах полета (от самых малых до самых больших) и в любых районах (включая удаленные, прибрежные и океанические);

- обмен данными по каналам цифровой связи “воздух - земля” между бортовыми и наземными комплексами в целях максимального использования преимуществ автоматизации;

- навигационное обслуживание и заходы на посадку на ВПП и другие посадочные полосы, которые практически нецелесообразно оборудовать средствами для точного захода на посадку.

Краткое описание существующей аэронавигационной системы и её основных недостатков приведем применительно к области связи, навигации и наблюдения, а также обслуживания воздушного движения.

В настоящее время доминирующим видом связи “воздух - земля” между экипажем ВС и диспетчером является речевая связь. Использование приемопередатчиков в диапазоне очень высоких частот (ОВЧ) обеспечивает радиосвязь непосредственно между пилотом и органом УВД в пределах прямой видимости. Для связи в РПИ вне зоны действия ОВЧ - средств используются радиостанции, работающие в диапазоне высоких частот (ВЧ). При этом связь в этом диапазоне ведется диспетчером через оператора радиобюро. Соседние органы УВД взаимодействуют между собой по арендуемым телефонным каналам (тональной частоты), благодаря чему обеспечивается прямая речевая связь между диспетчерами в процессе согласования условий полета и осуществления процедуры приемо-передачи управления. Органы УВД, другие авиационные полномочные органы и многие авиакомпании связаны между собой сетью авиационной фиксированной электросвязи (AFTN-Aeronautical Fixed Telecommunication Network), обеспечивающей передачу ориентированных на знаки сообщений (телеграмм), а в некоторых случаях - линиями общей сети обмена данными ИКАО (CIDIN-Common ICAO Data Interchange Network).

Основной недостаток существующей подсистемы связи “воздух - земля” заключается в том, что обмен информацией между ВС и органом УВД в основном ведется по каналам речевой связи без организации автоматизированного (автоматического) обмена данными между бортовым и наземным оборудованием. При этом пропускная способность таких каналов ограничена скоростью произношения речевых сообщений, языковыми особенностями каждого человека и необходимостью повторения сообщений в случае возникновения неблагоприятных условий прохождения сигнала или воздействия помех. По мере увеличения объема воздушного движения каналы речевой связи все больше перегружаются, что обуславливает необходимость выделения дополнительных каналов. По этой же причине в ходе полета по маршруту экипаж вынужден часто менять частоту настройки, что ведет к увеличению рабочей нагрузки по ведению связи.

Другие недостатки существующей подсистемы связаны с дальностью действия в диапазоне ОВЧ, ограниченной зоной прямой видимости. Устранение этого недостатка можно обеспечить путем использования территориально-распределенной сети ОВЧ - станций (наземных ретрансляторов), связанных с органом УВД арендованными каналами связи. Однако в результате этого значительно увеличиваются расходы на организацию и эксплуатацию такой сети связи. Кроме того, в ряде случаев установка наземных ретрансляторов может быть затруднена или невозможна. Связь в диапазоне ВЧ подвержена аномалиям распространения волн, помехам и затуханиям сигнала. Вследствие этих физических ограничений воздушная радиосвязь в этом диапазоне ведется с помощью специально подготовленных радиооператоров, что значительно снижает своевременность доведения сообщений.

В наземном сегменте подсистемы связи при использовании сети AFTN на конечном этапе доведения сообщений обеспечивается только низкоскоростная передача с использованием телетайпов. При этом некоторые центры коммутации сообщений по-прежнему работают в ручном режиме. Все это задерживает обмен авиационной информацией и приводит к снижению качества ОрВД.

Навигация над сушей в основном осуществляется по ненаправленным радиомаякам в рамках структуры маршрутов, охваченных зоной действия всенаправленных ОВЧ-радиомаяков (VOR-Very High Frequency Omni directional Range) и дальномерного оборудования (DME-Distance Measuring Equipment), а также станций радиотехнических систем ближней навигации (РСБН) в Европейском регионе ИКАО. Дальняя навигация обеспечивается с помощью таких систем, как OMEGA, LORAN-С, или автономных навигационных систем, таких как инерциальные навигационные системы (ИНС).

При использовании всенаправленных маяков диапазона ВЧ вследствие условий распространения волн возникают такие же помехи, как и при работе ВЧ радиосвязи. Поэтому точность навигации в этом случае и зона действия ограничены. Хотя при передаче сигналов VOR/DME и/или РСБН не возникает особых помех, тем не менее, обеспечить ближнюю навигацию во всем требуемом объеме воздушного пространства не всегда удается по причине географических или экономических ограничений, так как эти средства работают в зоне прямой видимости.

Кроме того, сам принцип самолетовождения, основанный на маркировании определенных наземных точек и привязке воздушных трасс к местоположению навигационных средств в этих точках, ограничивает возможности выбора маршрутов движения и вызывает появление чрезмерно перегруженных областей воздушного пространства.

Применение в конкретном воздушном пространстве тех или иных процедур ОВД в огромной степени зависит от методов наблюдения. Как правило, в континентальных и прибрежных районах для наблюдения применяются первичные и вторичные радиолокаторы (ВРЛ), а в океанических и удаленных районах с этой целью используются донесения, передаваемые по каналам речевой связи согласно установленным правилам.

Основной недостаток подсистемы наблюдения связан с ограниченной дальностью действия первичного и вторичного радиолокаторов и аналогичен вышеописанному для организации ОВЧ - связи с ВС.

Цель ОВД заключается в обеспечении соблюдения эксплуатантами ВС установленного графика убытия и прибытия ВС и выбора наиболее предпочтительных для них профилей полета с минимальными ограничениями при сохранении требуемого уровня безопасности полетов. Для выполнения сформулированной цели используются имеющаяся система CNS и наземные центры УВД, которые несут ответственность за управление воздушным движением и обеспечение безопасности полетов. Поэтому ограничения существующих систем ОВД находятся в прямой зависимости от недостатков элементов CNS .

1.2 Будущая аэронавигационная система и мероприятия ИКАО по построению систем СNS

Главная задача будущей CNS заключается в обеспечении выполнения основной цели перспективной концепции АТМ, заключающейся в удовлетворении потребностей пользователей в наиболее предпочтительных траекториях полета. В этой системе, основанной на идее высокоточного определения местоположения ВС и организации эффективного автоматизированного и автоматического взаимодействия бортового и наземного оборудования для обеспечения во всем мировом воздушном пространстве безопасного воздушного движения по выбранным маршрутам полетов, существующее разграничение элементов CNS будет сведено к минимуму. Тем не менее, характеристику будущей аэронавигационной системы и мероприятий ИКАО по построению систем CNS/ATM целесообразно по-прежнему давать применительно к функциям связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения.

По взглядам экспертов ИКАО при реализации концепции CNS/ATM требуемый уровень эффективности, пропускной способности и гибкости будущей системы FANS может быть достигнут только при использовании цифровых средств передачи данных. Поэтому для новой подсистемы связи будет характерна усовершенствованная передача данных и глобальная зона действия.

Хотя потребность в речевой связи сохранится, тем не менее, возможности передачи данных между всеми абонентами подвижной и фиксированной служб связи в сочетании с использованием межсетевого обмена, шлюзов или трассировщиков позволят создать однородную сеть передачи данных в условиях применения различных технических и административных решений, обеспечивающую решение большинства задач по взаимодействию. Инфраструктурой для обеспечения такого информационного обмена гражданской авиации в глобальном масштабе станет сеть авиационной электросвязи (ATN-Aeronautical Telecommunications Network), которая включает прикладные объекты и службы связи, обеспечивающие взаимодействие наземных сетей передачи данных, подсетей передачи данных “воздух-земля” и бортовых сетей передачи данных путем принятия общих интерфейсных служб и протоколов, основанных на эталонной модели взаимосвязи открытых систем Международной организации по стандартизации (ИСО). Структура сети ATN показана на рис. 1, а ее концептуальная модель - на рис. 2.

Речевая связь диапазона ОВЧ будет оставаться основным видом связи с ВС еще достаточно длительный срок. Однако использование цифровых каналов обмена данными будет расширяться и применяться для передачи большинства рутинных сообщений “воздух - земля” в зависимости от операционных требований. При этом речевая связь будет по-прежнему доступна для передачи нерутинных и аварийных сообщений.

Спутниковая речевая связь будет, по всей видимости, ограничиваться теми областями, где отсутствует поле связи диапазона ОВЧ, но она не заменит ОВЧ речевую связь до тех пор, пока не будут достигнуты существенные преимущества по соотношению производительности и стоимости. Спутниковая речевая связь может использоваться для передачи нерутинных и чрезвычайных сообщений или дублирования там, где канал передачи данных является основным средством связи.

Рис. 1. Структура сети ATN



Рис. 2. Концептуальная модель ATN.

Радиосвязь в диапазоне ВЧ по-видимому будет сохранена, в первую очередь для обеспечения связи над полярными районами, которые не охвачены действием геостационарных спутников. Более того, применение современных технических средств позволит устранить большую часть недостатков, связанных с непредсказуемым характером прохождения волн в диапазоне ВЧ.

Для преодоления дефицита ОВЧ - радиочастот в перегруженном верхнем воздушном пространстве Европы ИКАО приняло решение об обязательном наличии на борту ВС радиооборудования, способного работать в диапазоне ОВЧ на частотных каналах с шагом сетки частот 8,33 кГц, при выполнении полетов в воздушном пространстве Австрии, Бельгии, Германии, Люксембурга, Нидерландов, Швейцарии и Великобритании с эшелона выше 8000 м, а также с эшелона выше 5700 м в воздушном пространстве Франции.

ВС государственной авиации, не отвечающие требованию по работе на частотных каналах с шагом 8,33 кГц, будут допускаться к выполнению полетов в указанном воздушном пространстве Европейского региона ИКАО, если возможности органов УВД, публикуемые в национальных сборниках аэронавигационной информации, и бортовое оборудование ВС позволяют вести радиосвязь в диапазоне ВЧ. Использование в Европе 8,33 кГц разделения каналов в диапазоне ОВЧ волн лишь временно облегчит решение проблемы загруженности. Долговременным решением этой проблемы, одобренным ИКАО, является использование цифровой радиосвязи, такой как связь в диапазоне ОВЧ с использованием многостанционного доступа с временным разделением каналов (TDMA-Time Division Multiple Access).

Несмотря на это, считается, что использование 8,33 кГц разделения каналов обеспечит основную часть Европы достаточным количеством дополнительных частот для того, чтобы справиться с растущим воздушным движением. Однако цифровой TDMA будет применяться во многих регионах, в частности в США, без промежуточного внедрения 8,33 кГц разделения каналов. Таким образом, некоторые страны, включая США, изучают вопрос использования 8,33 кГц и TDMA совместимого радиооборудования.

Обмен данными с ВС предполагается осуществлять с использованием следующих мобильных подсетей ATN:

- ОВЧ - линии цифровой связи (VDL-Very High Frequency Digital Link);

- линии передачи данных режима S (Selective-Адресный);

- линии передачи данных авиационной подвижной спутниковой службы (AMSS-Aeronautical Mobile Satellite Service);

- ВЧ - линии передачи данных.

В настоящее время известны четыре версии VDL (режимов 1 - 4). VDL режима 1 представляет собой линию передачи данных широко распространенной системы связи для адресации и передачи сообщений ACARS(Airborne Communication Addressing and Reporting System), разработанной и введенной в эксплуатацию в конце 1970-х годов фирмой ARINC(Aeronautical Radio Incorporated) для обеспечения обмена данными между ВС и их эксплуатационными агентствами (авиакомпаниями). Особенности данной линии обусловлены использованием существующего аналогового радиооборудования ОВЧ - связи для передачи данных в байтоориентированном формате и заключаются в применении двухступенчатой модуляции с амплитудной модуляцией несущей и минимальной частотной манипуляции на поднесущей (AM-MSK-Minimal Shift Keying), а также многостанционного доступа с контролем несущей (CSMA-Carrier Selecting Multiple Access). Скорость передачи данных в VDL режима 1 составляет 2400 бит/с.

VDL режима 2 стандартизована ИКАО и предусматривает использование методов цифровой радиосвязи с набором протоколов для различных эксплуатационных прикладных процессов. Применение модема с 8-позиционной относительной фазовой модуляцией (D8PSK-Differential 8 Phase Shift Keying) обеспечивает номинальную скорость передачи данных в 31,5 22 кбит/с. Однако применение CSMA по-прежнему приводит к появлению недетерминированной задержки доведения сообщений.

VDL режима 3 строится на использовании TDMA и будет представлять собой комплексную систему цифровой речевой связи и передачи данных, улучшающую использование ОВЧ - спектра радиочастот за счет обеспечения четырех отдельных радиоканалов на одной несущей.

VDL режима 4 обобщила в себе основные преимущества предыдущих версий. Однако в отличие от VDL режима 3, в которой для обеспечения канальной синхронизации и доступа к каналу требуется наличие наземных станций, VDL режима 4 является самосинхронизирующейся4, что обеспечивает возможность ее применения и для автономной организации передачи данных между ВС. VDL версии 4 является наиболее эффективной цифровой линией передачи данных для использования в сети ATN, поддерживающей все известные приложения ОрВД:

- автоматическое зависимое наблюдение в режиме радиовещания (ADS-B-Automatic Dependent Surveillance-Broadcasting);

- связь между диспетчером и экипажем ВС по цифровой линии (CPDLC-Controller Pilot Digital Link Communication), управляемая пилотом;

- передача на борт ВС данных полетно-информационного обслуживания (FIS-Flight Information Service), службы информации о воздушном движении (TIS-Traffic Information Service), метеоданных и другой радиовещательной информации;

- ответ на частоте запроса глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS-Global Navigation Satellite System), содержащий информацию о качестве сигналов GNSS и данных, подлежащих уточнению;

- система наблюдения за наземной обстановкой и управления трафиком ВС и наземных транспортных средств в аэропортах (SMGCS- Surveillance Moving Ground Control System).

В настоящее время группа экспертов ИКАО по авиационной подвижной связи завершила разработку SARPS для VDL режима 4. Проводимые в различных регионах ИКАО интенсивные испытания линий передачи данных направлены на обеспечение их применения в соответствии с требованиями ATN.

Линии передачи данных режима S предполагается использовать в первую очередь для обеспечения расширенного наблюдения, поэтому более подробно они рассмотрены ниже. Линии передачи данных режима S нашли уже применение в воздушном пространстве стран Европейской конференции гражданской авиации (ЕКГА). Последующее развитие в направлении более широкого применения зависит от сравнительного анализа со спутниковыми и ОВЧ - каналами связи по критерию стоимость / производительность.

Линии передачи данных AMSS уже находят применение в ряде регионов в ходе работ по внедрению автоматического зависимого наблюдения. Однако на начальных этапах из-за высокой стоимости спутникового оборудования, услуг связи и увеличения времени задержки передачи сообщений использование AMSS будет, по всей видимости, ограничиваться только межконтинентальными ВС, совершающими полеты в океанических РПИ и зонах с низкой интенсивностью воздушного движения, а также в зонах, где отсутствует поле связи VDL или режима S.

Как отмечалось выше, ВЧ - линии передачи данных будут сохранены для обеспечения дальней связи, особенно в полярных районах, где спутниковая связь может быть недоступна. Из мероприятий по совершенствованию ВЧ - связи отметим интернациональный проект (с участием России) по созданию распределенных по континентальной части поверхности земли сети приемо-передающих радиоцентров диапазона ВЧ, сопрягающейся с наземными подсетями ATN, направленной на обеспечение глобальной достаточно надежной адаптивной связи в диапазоне ВЧ между наземными, а также между наземными и воздушными абонентами.

1.3 Требования к FANS к передаче бортовых данных

Рассмотренные характеристики бортового оборудования перспективных ВС могут дать существенный эффект, если и наземное оборудование, обеспечивающее навигацию, наблюдение и УВД, выйдет на соответствующий, более высокий уровень.

В соответствии со стратегией определены следующие направления развития системы ОВД и мероприятия по их реализации:

- повышение оперативности и качества наземного планирования всех этапов полета; оптимизация структуры маршрутов и секторов на основе технологии RNAV и введения RVSM;

- модернизация системы FDPS для поддержки полетов по гибким маршрутам и оперативного изменения маршрутов;

- оперативное управление наземным движением и пропускной способностью в воздушной зоне основных аэропортов;

- постепенное внедрение основных аэропортовых средств управления прибытием;

- улучшение интерфейса человек - система и рабочих мест диспетчеров; реализация системы тактического управления потоками (EFMS); внедрение методов управления информацией в масштабах всей системы ОВД: внедрение мобильной передачи данных основных аэропортов для поддержки разрешения на взлет и ATIS [5].

- Наиболее важные вопросы реализации стратегии развития обсуждаются ниже.

Технология FANS является самым простым по структуре вариантом автоматического зависимого наблюдения и представляет собой, по сути дела, обобщение принципа вторичной радиолокации. В самом деле, классический вторичный локатор постоянно посылает запросы о бортовом номере, высоте и других параметрах. Бортовой трансивер ВС, приняв такой запрос, посылает затребованную информацию. Таким образом, вторичный локатор связан с ВС низкоскоростной цифровой линии передачи данных, организованной по принципу запрос - ответ. Теперь предположим, что передающая антенна локатора ненаправленная. В этом случае широковещательный запрос вызвал бы поток ответов от всех ВС, находящихся в зоне видимости, транслированных одновременно на одной и той же частоте. Декодировать эти ответы было бы невозможно из-за их наложения.

Поэтому такой локатор должен посылать бортам не широковещательные, а адресные запросы, чтобы не допустить наложения ответов. Именно на этом принципе базируется технология FANS [8].

При этом она не требует, что бы канал связи ВС - земля обязательно строился на основе УКВ линии передачи данных. Это может быть, например, канал цифровой спутниковой связи. Таким образом, FANS можно рассматривать как средство вторичной радиолокации с расширенным набором функций, работающее с каждым ВС индивидуально.

Рассмотрим технологию системы FANS, которая является самой разработанной в плане практической реализации. Изначально эта система создавалась для обеспечения авиакомпаний оперативной связью с принадлежащими им ВС, т.е. не для УВД. Основным элементом системы FANS является глобальная компьютерная сеть, предназначенная для сбора информации о ВС, рассылки этой информации по потребителям и трансляции сообщений с борта ВС на землю и обратно. Для связи с ВС эта система сопрягается со станциями УКВ линии передачи данных, способными работать с ВС, находящимися в зоне радиовидимости, а также со спутниковыми каналами, дальность действия которых значительно выше. С другой стороны, потребитель через шлюз соединяется с этой сетью и получает от нее ту информацию, на которую подписан. Таким образом, прямая связь потребителя через базовую станцию УКВ линии передачи данных с ВС в системе FANS не предусмотрена. Образно говоря, все контракты на получение информации и обмен сообщениями осуществляются в этой системе через посредников, каковыми являются серверы компьютерной сети FANS.Это вполне логичная структура с коммерческой точки зрения, поскольку позволяет удобно организовать тарификацию. В самом деле, весь обмен сообщениями идет через серверы, где может быть точно учтено количество информации, полученной шлюзом конкретной авиакомпании, и с этой авиакомпании взыскана соответствующая плата за пользование системой FANS.

Идея использовать систему FANS как источник информации для УВД выявила как достоинства, так и недостатки такой схемы. К несомненным достоинствам следует отнести то, что быстродействие канала связи с бортом ВС для нее не является критическим. Это дает возможность использовать для этой пели не только УКВ, но и низкоскоростные каналы, такие как KB и спутниковая связь. Эту возможность трудно переоценить при решении задачи наблюдения в океанических и малонаселенных районах, где отсутствует сеть станций УКВ линии передачи данных.

Для организации крупных центров УВД удобно также наличие глобальной компьютерной сети, в которой имеется информация о всех бортах, находящихся на сопровождении системы FANS. В результате размер зоны управления данного центра УВД не ограничивается зоной радиовидимости. Оборотной же стороной этой медали является слишком опосредованная связь диспетчера с ВС. В самом деле, для УВД, в отличие от связи авиакомпаний, превалирующим критерием является обеспечение безопасности движения, а не удобство финансовых взаиморасчетов. Поэтому в несение в канал связи диспетчер-пилот задержек, неизбежных при прохождении пакета через множество каналов и узлов глобальной компьютерной сети, представляется нежелательным, поскольку при возникновении конфликта ситуация меняется буквально по секундам, и не оперативность канала связи может стать непосредственной причиной катастрофы.

Рассмотрим предполагаемую схему оснащения центра УВД системой FANS. Как упоминалось выше, расположение центра УВД при этом никак не привязано к расположению станций связи с бортом ВС. В центре должен стоять только шлюз компьютерной сети FANS. Шлюз является мультиплексором потока сообщений между системой и центром УВД. Также он содержит средства записи и воспроизведения потока и системный менеджер - программу контроля состояния шлюза и настройки его рабочей конфигурации (рис. 3).

Рис. 3. Система FANS

На рабочем месте диспетчера УВД устанавливается специальная программа отображения воздушной обстановки. Она сопрягается со шлюзом и обеспечивает автоматизацию управления контрактами путем их автоматической установки или отмены. Цикл работы этой программы с бортом начинается, когда от ВС поступает запрос на подключение. Если ВС находится в зоне ответственности данного диспетчера, то ПО его рабочего места устанавливает контракт на получение координатной информации от данного ВС с частотой, заданной в настройках рабочего места. Когда ВС покидает зону ответственности, то контракт разрывается. При необходимости вести наблюдение за ВС, находящимся за пределами зоны управления, контракт следует установить, а по окончании наблюдения разорвать вручную. Вся получаемая по этим контрактам координатная информация отображается на дисплее рабочего места.

Кроме доставки координатной информации система FANS предоставляет услугу без голосовой связи пилот-диспетчер (CPDLC). Эта система является конечным устройством, также подключаемым к шлюзу в качестве клиента. Ее функцией является предоставление диспетчеру средств создания, передачи и приема стандартных формализованных сообщений.

Диспетчер имеет возможность просмотреть предысторию сообщений по сопровождаемым ВС, создать новое сообщение, используя стандартные формы, контролировать ответы ВС, а также устанавливать и отменять контракты на автоматическое получение той или иной информации. Дисплей CPDLC содержит окно со списком ВС, находящихся на обслуживании, ожидающих обслуживания, предыстории сообщений по определенному ВС, а также область окна для подготовки сообщения. Кроме того, дисплей содержит кнопки - функции, ассоциированные с перечнем стандартных элементарных сообщений. Диспетчер оператор CPDLC может также управлять контрактами АЗЫ и контролировать состояние линий связи.

Все формализованные сообщения сгруппированы по категориям, таким как «Набрать высоту», «Сбросить высоту», «Изменить маршрут » и др. После выбора категории выбирается конкретное сообщение. Например, категория «Назначение крейсерского эшелона» содержит следующие сообщения:

- Следовать на эшелоне < высота >;

- Набрать эшелон до <высота>;

- Занять эшелон выше <высота >.

Выбрав сообщение, диспетчер вводит, если необходимо, его параметры (В вышеприведенном примере параметры указаны в угловых скобках) и отправляет сообщение.

Существует категория аварийных сообщений, которые отправляются с наивысшим приоритетом. Возможна также отправка сообщения свободного текста, не относящегося к стандартным.

Сеть системы FANS позволяет диспетчеру осуществлять обмен сообщениями не только с ВС, но и с соседними центрами УВД. Процедуры согласования, приема - передачи, управления и другие также могут производиться через интерфейс CPDLC.

В настоящее время существуют две разновидности системы FANS:

а) FANS А+ - для работы в сети ACARS, используется для работы по обмену коммерческой информацией;

б) FANS В+ - для работы в сети ATN, используется для работы по обмену информацией управления воздушным движением с помощью протокола CPDLC.

В настоящее время системы FANS А используются для полетов над океанами и территориями, не покрытыми сетью наземного оборудования, а системы FANS В - для полетов над территориями, активно попадающими в зону действия наземных станций [9].

1.4 Общие сведения о бортовом оборудовании для работы системы FANS

Рассмотрим бортовое оборудование системы FANS на примере широко используемого в настоящее время самолета.

Ядром бортовой системы является блок ATSU (Air traffic service unit - блок обслуживания воздушного движения), который получает информацию от бортовых систем, и, в соответствии с командами блоков контроля (CDU - Control display unit), через высокочастотное оборудование, передает на наземную станцию. В качестве высокочастотного оборудования используется KB или УКВ радиостанция с возможностью приема/передачи данных (VDL). Принятая от центра УВД информация отображается на дисплеях капитана и второго пилота [9].

Основными функциями блока обслуживания воздушного движения являются:

Вывод на дисплеи пилотов сообщений, принятых от наземного центра УВД, а также передача этих сообщений на другие самолетные системы.

Автоматический, без участия пилота, выбор высокочастотного устройства, через которое сообщение будет передано на наземную станцию.

Автоматический выбор наземной станции, с которой будет производиться связь.

В настоящее время в блок обслуживания воздушного движения включены все функции ACARS.

Блок обслуживания воздушного движения имеет модульную схему, что полностью соответствует требованиям общей концепции FANS и позволяет дорабатывать его под новые требования без какого-либо кардинального изменения конструкции (рис. 4-13).

FANS 1 позволяют:

* Уменьшенные разделения

* Более своевременные высотные разрешения изменения

* Гибкие обычные операции

* Отправка на необходимой навигации работа (RNP) только маршруты

* Эффективные операции по следу пересечения Пегас FMC является FANS 1 способное.

Система глобального позиционирования (GPS) и необходимая навигационная работа (RNP) основные характеристики. Эти варианты требуются, чтобы позволять эксплуатация вентиляторов:

* Канал связи услуг по воздушному движению (ATS DL).

Этот выбор также обеспечивает автоматический зависимое наблюдение

* ACARS или канал связи метода 2/AOA VDL

* SATCOM, если операции FANS желаемый за пределами диапазона канала связи УКВ. Эти варианты доступны, но нет требуемый для операций FANS:

* Необходимое время прибытия (RTA)

* Интерфейс принтера FMC

Рис.4. Компьютерная система управления полетами 767-200ER /-300ER

Время мониторов начиная с последнего экспериментального толчка кнопки

* Пульт управления способа

* Пульты управления EFIS

* Пульт управления EICAS

Будущего аэронавигационного системы (FANS)

* MCDUs

* Толчок к разговору микрофона УКВ/половины

* Пульт управления VOR

Авиакомпания определяет критерии в стратегическом файле

* Вся особенность, можно выбрать на или прочь

* EICAS приведение в готовность уровней, можно выбрать на или прочь

* Выбор времени критериев, можно выбрать в пределах предопределенных пределов

* Требует, чтобы возможность для клиента снабдила Авиакомпанию

Модифицируемая информация (AMI).

Рис.5. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

Монитор настороженности команды

Необходимое время прибытия (RTA обеспечивается способность определение и фиксирует время прибытия для существующего плана полета). FMC вычисляет скорость RTA. Самолет поддерживает скорость RTA.

Самолет достигает SMO 1307.5Z.

* RTA вычисляется для сегмента CRZ.

* CLB и DES - ЭКОНОМИКА.

* Точность 30 секунд.

Взлететь.

* Первоначально черты показов.

* Показы рекомендовали взлет время после входа времени RTA.

Рис.6. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

* Если никакие RTA не фиксируют, или время введено, ожидаемое время взлета может быть введенный и все предсказания поездки будет основаны на введенном времени взлета.

RTA фиксируют.

* Любой дорожный точка в активном плане полета.

Максимальная скорость.

* Неплатежи к MMO минус 0.02.

* Команда может войти в максимум.

скорость при желании.

Варианты могут быть отобраны:

* Операционный коммуникационный канал связи авиакомпании (AOC DL);

* Канал связи услуг по воздушному движению (ATS DL);

* Канал связи взлета;

* Зависимей от установки ACARS MU/CMU система;

Канал связи FMCS/ACARS

* Меню Access ACARS через FMC

(MCDU) или многоцелевой интерактивный дисплейный блок (MIDU)

Рис.7. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

Интерфейс ACARS

* Обеспечивает соответствующую гибкость сообщения минимизируя коммуникационный груз.

* Совместимость функции метода S.

* Совместимость SATCOM.

* Требует MCDU или MIDU и ACARS или метода 2 VDL.

* Условия для ACARS или метода 2 VDL предложили это предусмотрел бы будущее внедрение ACARS или метод 2 VDL.

* Частичные условия, предлагаемые для будущей модернизации от ARINC 724B ACARS к коммуникации ARINC 758 управленческие единицы (CMU).

* Голосовая защита способа, доступная, чтобы позволить сосредоточьте систему УКВ, которая будет использоваться для обоих голосов и передача данных.

* Канал связи услуг по воздушному движению (ATS DL) является дополнительной функцией Пегаса FMC. ATS DL зависит от выбор метода 2/AOA VDL или канала связи ACARS.

* ATS DL объединяет функции уведомления о средствах ATS (AFN), автоматического иждивенца наблюдение и канал связи авиадиспетчерской службы (ATC DL). AFN уведомляет авиадиспетчерскую службу, поэтому это самолет оборудован и готов получить коммуникации канала связи. Наблюдения допускают автоматический сообщение положения самолета и поглощенных данных. Наблюдения способны к одновременному сообщению к четыре средства ATC и одно средство авиакомпании. Способность отключить ОБЪЯВЛЕНИЯ через многофункциональное дисплейный блок контроля (MCDU) обеспечен.

* ATC DL позволяет двухсторонним текстовым сообщениям быть посланными между пилотом и диспетчером. Сообщения получены и создал использование MCDU. Способность сохранить и вспомнить сообщения и загрузить информация об уровне в план полета предоставлена.



Рис.8. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

ATS Data Link

Рис. 9. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

Эксплуатационный коммуникационный канал связи (AOC DL)

* Канал связи AOC - дополнительная функция из Пегаса FMC. Канал связи AOC зависит от выбора VDL метод 2 или канал связи ACARS.

* Эта особенность обеспечивает канал связи коммуникация работы, маршрут взлета, дорожный точка ветры, сообщая дорожный точка, спуск прогнозы, модификации маршрута, и дополнительная информация об аэропорте непосредственно в FMC.



Рис. 10. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

канал связи

Канал связи взлета FMCS (показанный ниже) является отдельным выбор, зависящий от выбора AOC DL. Это особенность позволяет линия связи данных о взлете к FMC.

Рис.11. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

Интерфейс принтера

GPS и подходы NDB

Предусматривает печать FMC план полета и сообщения канала связи ATC.



Рис.12. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

* Выбор, доступно для интерфейса принтера FMC.

* FMC печатает линии связи и переданные из пространства сообщения ATC.

* FMC взаимодействует с ARINC 740, принтер на 744 или 744 А.

* Выбор, доступный для выбора FMC ненаправленный радиомаяк приближается в военно-морском база данных.

* Отдельный доступный выбор для выбора GPS FMC подходы “неточности”

В базе данных NAV.

Угол курса полета -- вертикальное отношение -- вертикальная скорость.

* Угол курса полета.

* Фактический.

* Вертикальное отношение.

* К дорожной точки и высота в 3R.

* Требуемый поддержать вертикальное отношение.

* Вертикальная скорость.



Рис.13. Компьютерная система управления полетами 767-200ER/-300ER

1.5 Анализ существующего варианта бортового модема, устанавливаемого на самолете

Как отмечалось выше, в настоящее время происходит быстрый рост интенсивности воздушного движения во всем мире. В связи с этим резко возрастает нагрузка на диспетчеров УВД, что увеличивает влияние человеческого фактора на безопасность полетов. Поэтому разработка средств автоматизации воздушного движения, которые позволят снизить нагрузку на диспетчера является на сегодняшний день очень актуальной задачей.

В целях ускорения роста темпов автоматизации воздушного движения организацией по контролю воздушного пространства стран Евросоюза (EUROCONTROL) была принята программа по развитию радиолокационного, радионавигационного и радиосвязного оборудования летательных аппаратов и аэропортов автоматизации воздушного движения (CNS/ATM - communication, navigation, surveillance-Air traffic management). В частности, в рамках этой программы предусмотрено внедрение средств обмена информацией между воздушным судном и центром управления воздушным движением [11].

Для этих целей на борту воздушного судна устанавливается устройство для сбора полетной информации, необходимой для автоматической генерации наземным центром УВД команд пилоту. Эта информация накапливается в определенном устройстве (буфере), и по запросу наземной станции через высокочастотное устройство, например, через УКВ радиостанцию, поддерживающую режим передачи данных (VHF Data Link), передается в эфир. Наземный цент УВД получает необходимую информацию, и на ее основе формирует команду пилоту, которая в дискретно-адресном режиме передается на борт самолета. После приема и обработки эта команда поступает на специальный дисплей в виде SMS сообщения, и, после ее выполнения пилотом, формируется ответ в центр УВД. Весь обмен информацией происходит в автоматическом режиме, без участия диспетчера. Диспетчер вмешивается в работу системы только в исключительных, внештатных ситуациях [11,12].

Для целей управления воздушным движением в настоящее время применятся сеть ATN (Сеть авиационной электросвязи). Однако рассмотренный выше модем не работает с сетью ATN, а работает только с сетью ACARS, где обмен данными по управлению воздушным движением весьма ограничен.

В связи с этим предлагается доработать существующий вариант блока обслуживания воздушного движения с целью возможности работы в сети ATN в соответствии с требованиями технологии FANS В+.

Предлагаемая доработка состоит из двух частей:

а) Доработка аппаратной части;

б) Доработка программной части.

Доработка аппаратной части заключается в применении в блоке нового процессора, способного обрабатывать дополнительные данные при работе в сети ATN.

Доработка программной части заключается в составлении нового алгоритма работы программы, учитывающего возросший объем данных при работе в сети ATN. Предлагается выделить из модуля алгоритма преобразования сообщений блока в сообщение ACARS дополнительный программный модуль по преобразованию сообщений для сети ATN.

Глава II. Разработка бортового модема для обмена данными Fans в самолетов В-757/767

2.1 Разработка схемы бортового модема

Процессорный модуль, как и в существующем варианте, выполняет основные функции обработки ATSU, взаимодействует с различными блоками ATSU через интерфейс внутренней шины.

Для расширения функциональных возможностей процессорного модуля при обработке информации от двух сетей, его предлагается построить на базе микропроцессора PENTIUM ММХ (166 МГц).

Технология ММХ существенно улучшила архитектуру микропроцессоров фирмы Intel (Pentium ММХ). Она разработана для ускорения выполнения мультимедийных и коммуникационных программ. Команды ММХ выполняют одну и ту же функцию с различными частями данных, например, 8 байт графических данных передаются в процессор как одно упакованное 64 -разрядное число и обрабатываются одной командой.

Блок-схему предлагаемого устройства можно представить в виде, приведенном на (рис. 14).

Устройство представляет собой микропроцессорную систему гарвардской архитектуры, то есть с раздельными шинами управления, адреса и данных.

В гарвардской архитектуре характеристики устройств памяти для инструкций и памяти для данных не обязательно должны быть одинаковыми. В частности, ширина слова, тактирование, технология реализации и структура адресов памяти могут различаться. В некоторых системах инструкции могут храниться в памяти только для чтения, в то время как для сохранения данных обычно требуется память с возможностью чтения и записи. В некоторых системах требуется значительно больше памяти для инструкций, чем памяти для данных, поскольку данные обычно могут подгружаться с внешней или более медленной памяти. Такая потребность увеличивает битность (ширину) шины адреса памяти инструкций по сравнению с шиной адреса памяти данных [13].

Рис. 14. Внутренняя архитектура процессорного модуля

Модуль ядра процессора включает в себя непосредственно микропроцессор, синхронную динамическую оперативную память (SDRAM), перепрограммируемую постоянную энергонезависимую память для хранения программы (EPROM) и шину интерфейса с периферийными устройствами.

Упрощенно модуль ядра процессора можно представить в виде, приведенном на (рис. 15).

Назначение элементов модуля ядра процессора следующее:

микропроцессор, который выполняет операции системного программного обеспечения;

Программируемую логическую схему Volcano ASIC производства компании AIRBUS, которая управляет доступами к микропроцессору и доступом синхронно-динамической памяти (SDRAM). Также эта схема включает в себя код коррекции ошибок Рида-Соломона, который исправляет однократные или некоторые многократные ошибки в передаче данных, во время доступа к синхронно-динамической памяти (SDRAM). Она также управляет доступами к электрически стираемой перепрограммируемой флэш-памяти (EPROM) и (EEPROM), сигналами прерывания, осуществляет контроль систем блока источника питания и проверкой чрезмерного падения напряжения, взаимосвязь с другими модулями процессорного блока через интерфейс шины.

ASIC (аббревиатура от англ. application-specific integrated circuit, «интегральная схема для специфического применения») - интегральная схема, специализированная для решения конкретной задачи. В отличие от интегральных схем общего назначения, специализированные интегральные схемы применяются в конкретном устройстве и выполняют строго ограниченные функции, характерные только для данного устройства; вследствие этого выполнение функций происходит быстрее и, в конечном счёте, дешевле.

Микропроцессоры общего назначения способны исполнить любой алгоритм. Однако по скорости их нельзя сравнить с заказными интегральными схемами, предназначенными для конкретных приложений (ASIC), реализующих те и только те функции, которые необходимы для решения вполне конкретной задачи. При должной настройке ASIC на данную проблему можно получить микросхему, которая будет значительно меньше, дешевле и быстрее, чем универсальный программируемый микропроцессор.

Есть и третий вариант ПЛИС, т. е. такие аппаратные схемы, которые могут быть модифицированы практически в любой момент в процессе их использования. Они состоят из конфигурируемых логических блоков, подобных переключателям с множеством входов и одним выходом. В цифровых схемах такие переключатели реализуют базовые двоичные операции AND, NAND, OR, NOR и XOR. В большинстве современных микропроцессоров функции логических блоков фиксированы и не могут модифицироваться.

Принципиальное отличие ASIC состоит в том, что и функции блоков, и конфигурация соединений между ними могут меняться с помощью специальных сигналов, посылаемых схеме. В некоторых ASIC-микросхемах используются логические матрицы (так называемые Базовые Матричные Кристаллы - навсегда в процессе производства путем «прожига», в то время как ПЛИС могут постоянно перепрограммироваться и менять топологию соединений в процессе использования. В качестве ОЗУ предлагается применить блок синхронной динамической памяти с произвольным доступом (SDRAM), общим объемом памяти 192 мегабайта, 128 из которых используется для хранения данных, а 64 Мегабайта используется кодом коррекции ошибок Рида-Соломона.

Если говорить упрощенно, то основная идея помехозащитного кодирования Рида-Соломона заключается в умножении информационного слова, представленного в виде полинома D, на неприводимый полином G , известный обоим сторонам, в результате чего получается кодовое слово С, опять-таки представленное в виде полинома.

Рис. 15. Модуль ядра процессора.

Декодирование осуществляется с точностью до наоборот: если при делении кодового слова С на полином G декодер внезапно получает остаток, то он может рапортовать наверх об ошибке. Соответственно, если кодовое слово разделилось нацело, его передача завершилась успешно.

В качестве ПЗУ для хранения программы, выполняемой процессорным блоком, предлагается использовать электрически стираемую перепрограммируемую флэш-память (EPROM) объемом 128 Мегабайт

Флэш-память - особый вид энергонезависимой, перезаписываемой полупроводниковой памяти. Рассмотрим подробнее: энергонезависимая - не требующая дополнительной энергии для хранения данных (энергия требуется только для записи), перезаписываемая - допускающая изменение (перезапись) хранимых в ней данных и полупроводниковая (твердотельная) то есть не содержащая механически движущихся частей (как обычные жёсткие диски или CD), построенная на основе интегральных микросхем (IC-Chip).

В отличие от многих других типов полупроводниковой памяти, ячейка флэш-памяти не содержит конденсаторов - типичная ячейка флэш-памяти состоит всего-навсего из одного транзистора особой архитектуры. Ячейка флэш- памяти прекрасно масштабируется, что достигается не только благодаря успехам в миниатюризации размеров транзисторов, но и благодаря конструктивным находкам, позволяющим в одной ячейке флэш-памяти хранить несколько бит информации. Флэш-память исторически происходит от ROM (Read Only Memory) памяти, и функционирует подобно RAM (Random Access Memory). Данные флэш хранит в ячейках памяти, похожих на ячейки в DRAM, но в отличие от DRAM, при отключении питания данные из флэш-памяти не пропадают. Не смотря на такие отличительные способности Flash-памяти, замены памяти SRAM и DRAM флэш-памятью не происходит из-за двух особенностей флэш- памяти: флэш работает существенно медленнее и имеет ограничение по количеству циклов перезаписи (от 10.000 до 1.000.000 для разных типов) [14].