Исследование системы мониторинга воздушного пространства ADS-B

Введение. Одним из важнейших аспектов в области безопасности полетов является осведомленность о местоположении ВС. Основным методом определения местоположения ВС в пространстве является использование радарных систем: первичных, вторичных, совмещенных первично-вторичных обзорных радиолокаторов, но у радарных систем есть существенные недостатки [1; 2]:

• 1)    не покрывают большие водные территории и районы полюсов Земли;

• 2) отсутствие встроенного механизма обнаружения ошибочных данных в сигналах

запроса или ответа;

• 3) параметры точности ограничиваются допуском на задержку в приемоответчике,

поэтому система непригодна для наблюдения на аэродроме;

• 4) высокая стоимость радаров затрудняют их распространение в труднодоступных

районах.

Однако сейчас используются также и более современные технологии, например, такие как ADS-B и мультилатерация. В данной работе акцент будет нацелен на радиовещание ADS-B. Покрытие всей поверхности Земли, низкая стоимость, обширность предоставляемой информации делает автоматическое зависимое наблюдение - вещание - крайне эффективной системой. Использование такого метода определения положения ВС является актуальным и для вертолетов, в особенности, состоящих в парке специальных служб, что позволяет эффективно отслеживать вертолеты в труднодоступных районах, а также эффективнее проводить спасательные операции [3].

При использовании для ведения наблюдения «воздух - земля» ADS-B дает значительные выгоды в плане обеспечения безопасности полетов по сравнению с процедурным УВД без радиолокационного наблюдения. Данные ADS-B могут обеспечивать применение таких автоматических инструментов безопасности, как краткосрочные сигналы о возможности возникновения конфликтной ситуации, предупреждения, касающиеся выдерживания разрешенного эшелона, предупреждения, касающиеся выдерживания маршрута, и предупреждения о вторжении в опасную зону, в целях повышения безопасности полетов и безопасности воздушного пространства. Имея средства наблюдения, авиадиспетчер значительно лучше ориентируется в обстановке [4; 5].

Математический метод. Эксплуатация системы Flightradar – это использование карты, на которой показаны самолеты, совершающие полет в текущий момент времени.

В функции ADS-B используются различные методы и частоты, в частности, расширенный сквиттер, работающий на частоте 1090 МГц, а также приемопередатчик универсального доступа (UAT) (978 МГц) и ОВЧ-линия цифровой связи (VDL) режима 4 (118–137 МГц).

Поскольку сообщения ADS-B передаются в режиме радиовещания, их можно принимать и обрабатывать с помощью любого подходящего приемника. В результате ADS-B поддерживает как наземную функцию, так и функцию ASA.

Для приема и обработки сообщений ADS-B устанавливаются наземные станции авиационного наблюдения. В случае бортовых видов применения оборудованные приемниками ADS-B воздушные суда могут обрабатывать сообщения от других воздушных судов, чтобы определить местоположение окружающих воздушных судов [6].

Данные о местоположении и скорости передаются дважды в секунду. Опознавательный индекс воздушного судна передается каждые пять секунд. Передача расширенного сквиттера (ES) функции ADS-B является неотъемлемой частью многих приемоответчиков режима S, хотя ее можно также реализовать в устройстве приемоответчика, не работающего в режиме S. Исследование будет представлять собой внедрение технических решений, позволяющих применить в полете следящую систему с последующей оценкой эффективности произведенной модернизации. Методика, по которой будет осуществляться модернизация летальных аппаратов, обоснованность решений, оценка эффективности представляет собой руководство.

Частота обновления радиолокационных данных составляет одно сообщение в течение 4 с, ADS-B – 0,5 с, а RTK – 0,2 с. Поэтому в течение одного и того же временного интервала больше сообщений будет передано в RTK, чем через радар и ADS-B, и сообщения радара являются самыми редкими [7; 8].

Нужно синхронизировать данные, чтобы получить точность радара и ADS-B и сравнить производительность радара и ADS-B, поэтому данные асинхронного мультинаблюдения должны быть экстраполированы, чтобы идти в ногу друг с другом. Прогресс синхронизации ADS-B, РЛС и РТК приведен на рис. 1.

Рис. 1. Прогресс синхронизации ADS-B, РЛС и РТК

Fig. 1. ADS-B, radar data and RTK synchronization progress

Отметим, что время одинаково для данных ADS-B, радиолокационных данных и базовых данных. Тогда будем иметь дело с остальной частью ADS-B данные, радиолокационные данные и базовые данные для синхронизации данных ADS-B, радиолокационных данных и базовых данных. Затем выполним следующие шаги [9]:

• 1.    Для радиолокационных данных извлечем сообщение о времени, содержащееся в радиолокационных данных, и укажем время T 1 .

• 2.    Извлечем сообщение о времени, содержащееся в исходных данных, которое является ближайшим от T 1 , и назовем время T 2 .

• 3.    Затем получим сообщение о местоположении (LA1, LO1), сообщение о скорости ( V 1 ) и сообщение о направлении ( H 1 ) радиолокационных данных, соответствующих T 1 . Направление определяется как угол между направлением движения самолета и истинным севером, а H 1 исходит из радиолокационных сообщений, которые выдает радиолокационная станция. Первоначально это достигается путем расчета угла между целью и направлением луча антенны.

• 4.    Мы можем получить экстраполированное сообщение о положении (LA1E, LO1E) в соответствии с (LA1, LO1), V 1 и H 1 .

• 5.    Извлечем сообщение о времени, содержащееся в данных ADS-B, которое является ближайшим от T 2 , и назовем время T 3 .

• 6.    Затем мы получим сообщение о местоположении (LA3, LO3), сообщение о скорости ( V 3 ) и сообщение о направлении ( H 3 ) данных ADS-B, соответствующих T 3 . H 3 поступает из сообщений ADS-B, которые выводит станция ADS-B. Первоначально оно было получено из источника навигационных данных и является более точным, чем радар.

• 7.    Мы можем получить экстраполированное сообщение о положении (LA3E, LO3E) в соответствии с (LA3, LO3), V 3 и H 3 .

Выражения следующие:

'LA1E = LA 1 + (T - T V cos H

^ LO1E = LO1 + ( T - T ) V sin H

Выражения следующие:

'LA 3 E = LA 3 + ( T - T ) V cos H₃ \ LO 3 E = LO 3 + ( T - T ) V sin H

В радиолокационных данных сообщение о местоположении выражается в полярных координатах, а сообщение о местоположении данных ADS-B выражается в координатах WGS-84. Чтобы сравнить данные ADS-B с радиолокационными данными, необходимо преобразовать полярные координаты в координаты WGS-84 [10]. Метод преобразования заключается в следующем: во-первых, извлечь наклонный диапазон, угол отклонения и высоту из радиолокационных данных; во-вторых, вычислить относительную долготу и широту радиолокационной станции; наконец, получить долготу и широту, добавив относительную долготу и широту к долготе и широте радиолокационной станции.

Предположим, что ( φ , η ) представляет долготу и широту радиолокационной станции, широты и долготы плоскости; ( α , β ) – относительную долготу и широту радиолокационной станции; h – высоту плоскости; r – наклонный диапазон, θ – угол отклонения.

Выражение преобразования широты:

4r ² - h ² *cos 6 = R *( a * ^П— )

<                               180 .(3)

latitude = a + ф

Выражение преобразования долготы:

4r2 - h2 *sin 6 = R *cos( latitude )*( в * -П-)

<                                                180 .(4)

longtitude = в + n

Мы находим, что ошибка между положением, полученным вышеупомянутыми выражениями, и действительным положением является большой, потому что Земля представляется как идеальная сфера без учета проблемы эксцентриситета, а Земля фактически является эллипсом. Таким образом, мы улучшаем метод [12]:

• 1)    мы конвертируем земные координаты радиолокационной станции в земно-центрированные, фиксированные на Земле (ECEF) координаты;

• 2)    мы извлекаем наклонный диапазон, угол отклонения и высоту из радиолокационных данных, чтобы вычислить декартовы координаты плоскости;

• 3)    мы преобразовываем декартовы координаты плоскости в координаты ECEF;

• 4)    мы будем преобразовывать координаты ECEF в координаты WGS-84.

Выражения, используемые для преобразования, следующие:

• 1)    выражения преобразования координат Земли в координаты ECEF:

x_r = ( c + H r ) cos L_r cos X_r < y_r = ( c + H r )cos L r sin ^ r ^ z_r = ( c (1 - e ²) + H r ) sin L r

где ( L r , λ r , Н r ) – земные координаты радара станции; ( х r , y r , z r ) – координаты ECEF; е – наклонный диапазон

c =

E q

4 1 - e ² sin(2 L )

где E q – радиус Земли;

• 2)    выражения преобразования полярных координат в декартовы:

x_n = r cos n cos 6

< Уп = r cos n sin 6 , zn = r cos n где (r, θ, η) – полярные координаты плоскости; (xn, yn, zn) – декартовы координаты;

• 3)    выражения преобразования декартовых координат в ECEF координаты:

[ X_rt ( k ) = X_r + RX ( k )

R =

• -    sin X _r cos ^X r 0

• -    sin X r cos X r - sin L_r sin X r cos L_r

cos L_r cos X _r cos L sin X sin L_r

xrt (k) = [xrt (k)yrt (k)zt (k)]2 _xr =[xryrzr f где Хrt (k) – координаты ECEF плоскости; Хrl (k) – декартовы координаты плоскости; Хr –ECEF координаты радиолокационной станции; Lr, λr – это долгота и широта радиолокационной станции.

• 5)    выражения координат ЕЭК в Земных координатах:

• r = 7 x ² + y²

a = ( r ² - A ² e ⁴)/(1 - e ²)

b = ( r ² - A ² e ⁴)/(1 - e ²)

q = 1 + 13.5 z ²( a ² - b ²)/( z ² - b )²

• p = V q ⁺V q ”¹

t = ( z ² + b )( p + p-^x)/12 - b /6 + z ²/12

L = arctg { [ z /2 + 4+ + ^z ² / 4 - b /2 - 1 + az /(4 t )]/ r

X = 2arc tg [( Дx ² + y ² - x )/ y ]

где ( x , y , z ) – координата ECEF плоскости; (L, λ, H) земная координата плоскости; A – полуось Земли.

Оценка точности. Для оценки точности данных радара и базового положения в одно и тоже время, можем получить расстояния между синхронизированным ADS-B и данными базового положения и расстояние между синхронизированным радаром и данными базового положения. Исходя из тестов 3-х летных испытаний, мы можем получить данные, показанные на рис. 2.

Рис. 2. Результаты оценки точности данных ADS-B в трех летных испытаниях

Fig. 2. The results of the accuracy evaluation of ADS-B in three flight tests

X-координата – пакет ошибок, а Y-координата – процент сообщения. Данные ADS-B показаны красным, а радар – синим. Очевидно, что объем сообщения ADS-B больше, чем радар в небольшом пакете ошибок, и меньше в большом пакете ошибок, поэтому можно сделать вывод о том, что точность данных ADS-B лучше, чем радарных данных [13].

В работе для наглядной демонстрации системы ADS–B были взяты изыскания китайских ученых. Наблюдения проводились на наземной станции Чэнду. Собирая отчеты ADS-B от наземной станции ADS-B Чэнду для летных испытаний, можем получить распределение NUC. Между тем, собирая отчеты ADS-B с наземной станции ADS-B Чэнду в течение примерно 40 дней, можем получить распределение NUC, как показано на рис. 3.

Оценка целостности данных ADS-B наземной станции в Чэнду показана на рис. 4. Количество отчетов, полученных от наземной станции ADS-B Чэнду, составляет 41776974. Координата X – значение NUC, а координата Y – процент сообщения. Красные столбики обозначают отчет, который не может соответствовать требованиям радиолокационной службы, а зеленые – отчет, который может соответствовать требованиям радиолокационной службы [14]. Большинство отчетов с NUC больше 4 могут удовлетворить требования радиолокационной службы, и большинство этих сообщений с NUC, равным 6 и 7, являются высокого качества.

Рис. 3. Оценка целостности данных ADS-B

Fig. 3 Assessment of integrity data for ADS-B

Рис. 4. Оценка целостности данных ADS-B наземной станции в Чэнду

• Fig. 4. Data integrity assessment ADS-B ground station in Chengdu

Заключение. В России, особенно актуально, будет использование ADS – B на вертолетах службы МЧС. Это позволит улучшить эффективность спасательных операций, осведомленность о движении воздушных судов в труднодоступных районах. Например, в Канаде и США нефтяными компаниями активно используются вертолеты, оснащенные ADS-B, для полетов к нефтяным вышкам, находящимся в море, что также будет актуально и в российских условиях расположения нефтедобывающих платформ [15].

Решение, предлагаемое в данной работе, отвечает всем требованиям. Использование следящей системы Flightradar позволит увеличить безопасность полетов. По причине, что эта система использует передатчики ADS-B, расширение зоны покрытия несравнимо дешевле, чем развертывание радаров. Простота установки передатчика на вертолет позволяет произвести улучшение без существенных изменений в конструкцию. Обоснованием для применения системы слежения служит сравнительный анализ, произведенный в работе. Общая часть представлена обзором системы Flightradar и основного транспондера ADS-B, используемого этой системой, также были освещены альтернативные источники данных, которые также может обработать следящая система.