Композитная система наблюдения для УВД и мониторинга воздушного пространства

На протяжении нескольких десятилетий основным средством наблюдения за воздушными судами (ВС) в интересах УВД были и остаются Вторичные Радиолокаторы (ВРЛ), а начиная с 2000-х годов стандартом де-факто в мире стали моноимпульсные вторичные радиолокационные станции режима S.

В последние годы, в связи с развитием Глобальных Спутниковых Систем Навигации (ГНСС), а также руководствуясь стремлением провайдеров аэронавигационных услуг сокращать стоимость наземного оборудования и эксплуатационных затрат, широкое развитие получила новая технология наблюдения — широковещательное автоматическое зависимое наблюдение (АЗН-В).

АЗН-В позволяет существенно понизить стоимость оборудования средств наблюдения, уменьшить выбросы в атмосферу за счет выбора наиболее эффективных эшелонов полета ВС, потенциально увеличить точность измерения координат, а также получить с борта ВС по линии связи борт-земля дополнительную информацию, позволяющую существенно повысить качество наблюдения и, таким образом, повысить безопасность воздушного движения.

Технология АЗН-В основана на том, что воздушное судно само измеряет свои координаты и другие навигационные параметры и передает их вместе с информацией об идентификации по линии связи «вниз». Эту информацию принимает наземная станция (НС), функции которой – принять сообщения с борта, декодировать, проверить целостность и сформировать выходные сообщения о целях в стандартизированных форматах передачи данных.

Такие НС АЗН-В примерно в 10 раз дешевле ВРЛ по стоимости оборудования и эксплуатационным затратам за счет более простых и не вращающихся антенн и отсутствия передатчика.

Трудности при внедрении АЗН-В — это оборотная сторона его преимуществ. Они связана с тем, что координаты ВС получаются НС с борта по линии связи, а следовательно нет возможности проверить, что то, что получено по линии связи — это действительно реальные координаты ВС. Более того, одна автономная НС АЗН-В не в состоянии проверить, что они вообще получены от ВС, а не от другого источника.

Причина этих трудностей состоит в уязвимости сигналов ГНСС, к числу которых обычно относят:

— Неисправность ГНСС из-за неисправности самой ГНСС (выход из строя, замена спутников);
— Сознательное ограничение функционирования ГНСС оператором;
— Необнаруженная неисправность бортовой навигационной системы;
— Непреднамеренные помехи близкими по частотам сигналами;
— Глушение и подмена сигналов ГНСС;
— Подмена сигналов АЗН-В.

Безопасное использование информации АЗН-В в наиболее ответственных зонах наблюдения должно предполагать возможность независимого (от бортовой навигационной системы и ГНСС) измерения координат. 

В качестве средств таких измерений могут использоваться ВРЛ, либо системы, состоящие из нескольких станций, использующие методы мультилатерации для определения координат источников сигналов независимым методом.

Метод мультилатерации предполагает точное измерение времени (единицы наносекунд) прихода сигнала на каждой станции и последующий расчет координат на сервере МПСН, используя разность времен приема на разных станциях. В дополнение к этому МПСН могут иметь собственный запросчик вторичной радиолокации и, таким образом, выполнять одновременно и функции вторичного радиолокатора. В последнем случае система знает также дальность до цели, что позволяет увеличить зоны наблюдения.

С внедрением АЗН-В и МПСН техника наблюдения за воздушным пространством повторяет путь, пройденный средствами наблюдения за 50 лет, когда резервной системой наблюдения была первичная радиолокация, а основной системой наблюдения стала пришедшая ей на смену вторичная радиолокация.

Со временем АЗН-В станет основной системой наблюдения, а резервной для нее станет вторичная радиолокация там, где уже имеется радиолокационное покрытие, либо резервной системой станет МПСН там, где вторичные радиолокаторы отсутствуют или выработают свой ресурс и будут выведены из эксплуатации.

Таким образом, АЗН-В становится третьим слоем наблюдения после полностью независимых средств (ПРЛ) и независимых кооперативных средств (ВРЛ, МПСН). Каждый из слоев наблюдения, поддерживаемый соответствующей технологией и типом оборудования, позволяет решать свои задачи, относящиеся либо к новым возможностям, либо к резервированию и обеспечению безопасности.

Линии связи для АЗН-В

В настоящее время стандартизированы три линии передачи данных АЗН-В: 1090 ES, UAT и VDL-4.

Решениями 11-й Международной конференции ИКАО в 2003 году было установлено, что линия передачи данных (ЛПД) 1090ES на основе режима S вторичной радиолокации будет принята в качестве основной для внедрения в международную практику. Основными преимуществами были названы: единственная линия связи, имеющая выделенный частотный диапазон, наличие на борту антенно-фидерных систем, отсутствие проблем с электромагнитной совместимостью, возможность использования для независимого измерения координат.

Линия передачи данных UAT была разработана для США из-за высокой загруженности канала 1090 МГц в некоторых регионах, и используется для наблюдения за полетами в нижнем воздушном пространстве. Ценой за развертывание второй линии связи стало существенное удорожание наземной инфраструктуры – необходимости двойного покрытия наземными станциями режимов 1090 ES и UAT и взаимной ретрансляции сигналов, а также необходимости оборудования воздушных судов транспондерами UAT. 

Линия передачи данных VDL-4 была разработана в Швеции 1980-х годах и так и не была принята в эксплуатацию ни в одной из стран мира. К недостаткам VDL-4 относят проблемы с электромагнитной совместимостью в используемом УКВ диапазоне, невыделенный частотный диапазон и отсутствие возможности для использования сигналов в многопозиционных системах наблюдения. За многие годы пробной эксплуатации АЗН-В 1090 ES в США, Европе и Австралии накоплены многие терабайты данных, которые позволили оценить достоинства и недостатки этой технологии. Фактически, РФ идет в кильватере мирового опыта использования АЗН-В, чем экономит существенные средства.

Основной довод в пользу развития второй линии передачи данных – это загруженность канала 1090 МГц сигналами вторичной радиолокации, однако основным источником помех для сигналов АЗН-В являются радиолокаторы режима А/С (ATCRBS). Одним из путей уменьшения интенсивности излучения в этом диапазоне является переход на режим S, что также положительно скажется на безопасности воздушного движения. Для перехода на режим S необходимо оснащение всех воздушных судов ответчиками этого режима. Такая работа была уже проведена в Европе. Опыт наблюдения за воздушным пространством над Санкт-Петербургом показал, что практически 100% воздушных судов гражданской авиации уже оборудованы ответчиками режима S, из них около 80% имеют возможности передавать информацию АЗН-В в режиме 1090 ES.

Еще одним аргументом в пользу использования одной линии передачи данных является имеющийся резерв функциональности сигналов 1090 ES, который позволит увеличить в разы пропускную способность радиоканала (такие работы ведутся на международном уровне), а также наличие зарезервированных для военных целей форматов, которые позволяют реализовать шифрование при передаче данных по каналу 1090 ES.

В целом, при наличии обязательной к использованию технологии АЗН-В 1090 ES, в условиях РФ, где интенсивность воздушного движения в десятки раз ниже, чем в США, использование второй линии передачи данных, с учетом необходимости развертывания и поддержания двойной наземной инфраструктуры, представляется экономически необоснованной.

Вторичная радиолокация для авиации спецназначения

Воздушные суда авиации спецназначения оснащены бортовыми ответчиками режима RBS частоты 1090 МГц и ответчиками режима УВД 740 МГц. И хотя режим УВД подлежит конверсии и снятию с эксплуатации, до сих пор до пяти воздушных судов одновременно находятся в воздухе над Санкт-Петербургом.

Помимо ответчиков, предназначенных для УВД, воздушные суда ВВС РФ оснащены ответчиками системы государственного опознавания (ГО)

Концепция композитной системы наблюдения

Композитная система наблюдения (КСН) обеспечивает наблюдение за воздушными судами по сигналам вторичной радиолокации, АЗН-В 1090 ES и ГО на всех этапах полетов с требуемой в разных зонах наблюдения точностью и темпом обновления.
Построение КСН предполагает использование следующих основополагающих принципов во взаимосвязи:

— Плавный переход на новые технологии наблюдения (АЗН-В, МПСН) с непременным обеспечением всех существующих мер безопасности полетов.
— Возможность извлечения дополнительных выгод от использования улучшенных характеристик новых средств наблюдения (повышенная точность, увеличенный темп обновления данных о воздушных судах). К числу таких выгод можно отнести, например, наблюдение в ранее недоступных зонах над городами, над морем, над горными районами или реализация новых приложений, например, улучшенное наблюдение при заходе на посадку, наблюдение в районе малых аэродромов или вертодромов.
— Отсутствие революционных изменений на борту за счет использования существующей сигнальной системы радиоканала ВРЛ и ГО
— Разумные и достаточные изменения наземной инфраструктуры средств наблюдения в части установки компактных и дешевых наземных станций, а также совершенствования каналов связи.
— Повышение эксплуатационных характеристик наземных средств наблюдения, таких как: надежность и живучесть за счет распределенной природы наземных станций, снижение расходов на содержание за счет драматического уменьшения габаритов и упрощения оборудования, уменьшение энергопотребления.

С технической точки зрения КСН базируется на следующих технологиях и возможностях:

— Для гражданской авиации и в целом для УВД, используется существующая сигнальная система режима S/1090 ES
— Для авиации спецназначения, при наличии бортового оборудования, используется существующая сигнальная система режима ГО
— Используются приемные и передающие (запросчики) распределенные в пространстве наземные станции для режимов ВРЛ и ГО, имеющие синхронизированные временные шкалы
— Приемные станции могут принимать как сигналы АЗН-В, так и ответы на запросы своих и чужих запросчиков в режимах ВРЛ: А/С/S и ГО 
— Принятые сигналы снабжаются точной меткой времени и направляются на Сервер АЗН-В/МПСН, где вычисляются координаты и формируются треки воздушных судов 
— Сервер может передавать полетные данные АЗН-В и МПСН в несколько направлений, разным потребителям, объединенные или раздельные, с возможностью формирования индивидуального протокола для каждого потребителя (профиля пользователя)
— Наземные станции могут иметь разные типы антенн, в зависимости от требуемой зоны наблюдения и мест установки. Антенны могут быть всенаправленные, секторные, многосекторные или однонаправленные.

Целевое назначение КСН:

№	Зона наблюдения	Темп обновления	Горизонтальная точность
1	Трассовая зона	8-10 с	350 м
2	Зона аэродрома	4-5 с	150 м
3	Зона посадки	1 с	6'
4	Поверхность аэродрома	1 с	7,5 - 20 м

При выборе позиций для размещения оборудования с целью экономии может быть целесообразно использовать уже существующие  объекты, имеющие электропитание, каналы связи и места для размещения оборудования. Такими объектами являются позиции сотовых операторов.