Method of air traffic management in С and G class airspace based on on-board GLONASS/GPS equipment and GSM/GPRS networks

Aldyukhov Aleksandr Aleksandrovich PhD in Economics Senior Audtior, PAO "Aeroflot—Rossiyskiye avialinii" 119002, Russia, g. Moscow, ul. Arbat, 10, of. PAO aaldiukhov@aeroflot.ru

Актуальность создания инфраструктуры организации воздушного движения малой и беспилотной авиации

Целью Транспортной стратегии РФ на период до 2030 года определено «Формирование единого транспортного пространства России на базе сбалансированного опережающего развития эффективной транспортной инфраструктуры» ^{[1] [2]}.

Принцип опережающего развития обусловлен необходимостью иметь для инфраструктуры всех видов транспорта резервы пропускной способности для избегания заторов, сбоев, пробок и других непроизводственных потерь ^[3]. Более негативными последствиями неразвитости или отсутствия инфраструктуры, например, на воздушном транспорте, являются снижение безопасности перевозок или запрет на их осуществление ввиду полной бессистемности организации воздушного движения (ОрВД).

Лавинообразное развитие производства и использования гражданских беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) уже в настоящее время потребовали разработки новой нормативно-правовой базы и необходимой инфраструктуры для организации и обеспечении их полетов. Совокупный рынок развития и использования беспилотников в мире в 2015 году достиг 127 миллиардов долларов США ^[4]. В перспективе он характеризуется, по оценкам аналитиков центра TechNavio в США, ежегодным ростом объемов в среднем на 28 процентов в период 2014-2019 годов ^[5]. Сотни тысяч дронов сегодня и миллионы в ближайшем будущем, ежедневно поднимающиеся в единое воздушное пространство (ВП) с пилотируемой авиацией создают риски и реальную угрозу безопасности полетов по всему миру.

Гражданская авиация и национальные системы ОрВД оказались не готовы технически и юридически к обеспечению совместного использования ВП (ИВП) пилотируемой и беспилотной авиации. Дроны, ввиду малой массы и отражательной способности для радиолокационных сигналов, практически не видимы на индикаторах обзора ВП органов ОрВД. Учитывая высокие риски снижения безопасности полетов, многие государства в 2015-2016 годах приняли запретительные меры для использования БПЛА в районах аэродромов, над городами и населенными пунктами. Однако, рост инцидентов с гражданскими воздушными судами (ВС) данные юридические инициативы не уменьшили.

В конце 2015, начале 2016 годов авиационные власти США, Европейского Сообщества и России вынуждены были принять поправки к авиационным законам, регулирующим порядок регистрации, подготовки внешних пилотов и использования беспилотников. Однако, отсутствие технической возможности объективного контроля ИВП БПЛА и игнорирование собственниками дронов требований регистрации и соблюдения правил полетов, ставят на повестку дня необходимость выработки мер по созданию специальной отдельной инфраструктуры по ОрВД в нижнем сегменте ВП, имеющем обозначение класса C, G ^[6].

Отдельно следует оговорить, что данный сегмент ВП активно используется для полетов малой авиации, включающую спортивную, санитарную, ведомственную, частную и т.д. Поэтому инфраструктура организации воздушного движения в ВП классов C, G должна обеспечивать безопасность полетов, технико-экономические интересы и требования по ИВП малой авиации, даже при раздельных зонах полетов пилотируемых и беспилотных аппаратов.

Развитие техники и технологии организации воздушного движения

Аэронавигационная инфраструктура и способы ОрВД постоянно совершенствуются в целях эффективности и безопасности авиаперевозок. Исторически следует выделить следующие этапы развития технического обеспечения и способы ОрВД, которые представлены в таблице:

Основные этапы совершенствования способов УВД-ОрВД РФ

В настоящее время в первом контуре непосредственного управления воздушным движением используется несколько способов ОрВД и контроля ИВП диспетчерскими службами в зависимости от класса ВП. Способы регулирования осуществляются на основе радиосвязи по докладу экипажа, по данным радиолокационных комплексов и вторичной радиолокации, на основе системы зависимого наблюдения. Современный этап развития ОрВД характеризуется массовым внедрением системы автоматического зависимого наблюдения ADS-B (Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B) и MLAT (Multilateration Surveillance), рекомендуемыми Международной организацией гражданской авиации (ICAO) к внедрению документом, Doc 9750-AN/963 ^[11]. Система ADS-B основана на передаче координат и других данных полета каждым ВС органам ОрВД, а также в режиме всенаправленного радиовещания всем экипажам других судов в зоне навигации; для России этот способ называется автоматическое зависимое наблюдение - всенаправленное (АЗН-В) ^[12].

С технической точки зрения, система ADS-B это комплекс радиотехнических каналообразующих средств наблюдения и авиационной связи, унаследовавший от вторичной радиолокации частотные диапазоны и модернизированную сеть наземных приемников, технически и технологически связанных с органами ОрВД. В данной сети используется прямой канал передачи сигналов ADS-B бортовым передатчиком на наземные приемные центры.

Второй коммуникационной сетью приёма-передачи сигналов ADS-B является сеть глобальной спутниковой связи (ГСС), активно внедряемая американской компанией ADS-B Technologies в частности через спутниковую группировку Иридиум (Iridium). Система получила название Link Augmentation System или "ALAS" ^[13], обеспечивает ретрансляцию сигналов ADS-B, с использованием так же УКВ-диапазона, с несущей частотой 1090 МГц с бортового транспондера на наземные станции через спутниковые ретрансляторы.

Вместе с тем, используемые сети авиационной связи, как и средства радиотехнического наблюдения и обеспечения полетов, имеют технические ограничения использования, обусловленные характеристиками излучаемых сигналов, т.к. распространение волн УКВ-диапазона эффективно только на прямой видимости. Для средств объективного контроля, например, радиолокаторов (РЛС), основными проблемами являются высокая затухаемость и низкая помехоустойчивость сигналов (сантиметровый диапазон), проявляющиеся на низких высотах в ВП класса G, где ландшафт и естественные препятствия вызывают ошибки из-за большого числа ложных отражений и затухания сигналов. Данное явление известно как угол закрытия, когда минимальная дальность обнаружения (Rmin) в РЛС при малых углах места ограничивается влиянием местных предметов ^[14].

Данные ограничения не позволяют достоверно обнаружить и контролировать летательные аппараты (ЛА) малой авиации с небольшой отражательной поверхностью и на сверхнизких высотах от 0 до 200-400 м. С началом массового использования БПЛА к проблемам интенсивности ВД и малозаметности прибавился риск несанкционированного ИВП. Достоверной информацией о несанкционированных полетах БПЛА в настоящее время органы Единой системы ОрВД не обладают.

Сравнение эффективности радиотехнических сетей связи и телекоммуникаций для использования зависимого наблюдения при полетах малой и беспилотной авиации.

Сравнение сетей связи проведем на основе анализа технических и экономических характеристик эффективности авиационной технологической связи при трансляции сигналов ADS-B для эксплуатации малой и беспилотной авиацией ^[15]. Оценка производилась по критериям эффективности возможного использования каналообразующей аппаратуры, сети и каналов авиационной и ГСС связи на малых высотах. Основные результаты исследований изложены в нижеперечисленных пунктах в качестве выводов по существующим проблемам.

1. Зоны территориального покрытия официальными сертифицированными ADS-B приемниками, подключенными к диспетчерским пунктам ОрВД, кроме аэроузловых центров, отсутствуют. Огромное количество ВС малой авиации и БПЛА, по самым скромным подсчетам, более 50 %, на низких высотах будут «не видимы» для аэродромных приемников из-за затухания ADS-B сигналов УКВ-диапазона ^[16].

2. Бортовое оборудование, используемое в системах ADS-B, производится до сих пор габаритным, тяжеловесным (более 1,5–2 кг, включая антенно-фидерные устройства) и энергоемким – более 5-15 Вт ^[17]. Для БПЛА и части судов малой авиации это является технически и конструкционно большой, непреодолимой нагрузкой.

3. Аэронавигационное обслуживание на основе оборудования ADS-B и каналов авиационной связи, а также стоимость оборудования, даже в перспективе для пилотируемой малой и беспилотной авиации являются экономически высокозатратными, т.к. рассчитаны для крупных пользователей ВП. Для поставщиков аэронавигационного обслуживания и органов ОрВД будет актуализироваться обратная задача, как компенсировать возрастающие расходы на развитие и рост интенсивности малой и беспилотной авиации при более низкой удельной доходности, по сравнению с большими ВС.

4. При использовании единых каналов авиационной связи и систем ADS-B для магистральной, малой и беспилотной авиации интенсивность полетов последних перегрузит все материальные, финансовые и трудовые ресурсы органов ОрВД. На экранах радаров будет отражаться в десятки и сотни раз большее количество ЛА, чем в настоящее время. что негативно скажется на эффективности ОрВД и повысит риски снижения безопасности полетов.

5. Внедрение системы ADS-B в США на основе ретрансляционных каналов ГСС (ADS-B Link Augmentation System, "ALAS"), позволит увеличить дальность и расширить зоны покрытия передающих сигналов, но потребует большей мощности передатчиков-транспондеров, больших расходов на оборудование, большей стоимости передачи сигналов по каналам ГСС связи, соответственно, существенно увеличит затраты на эксплуатацию ЛА.

6. Действующие системы авиационной связи и наблюдения, использующие ADS-B технологию, и ОрВД на ее основе, включая структуру и работу органов ОрВД по контролю за ИВП, не обеспечат современных потребностей беспилотной и малой авиации для коммерческого использования в крупных населенных пунктах и прилегающих территориях.

7. Совместное использование авиационных каналов связи пилотируемой и беспилотной авиацией несет риск непреднамеренного несанкционированного вмешательства непрофессиональных внешних пилотов БПЛА в работу органов ОрВД и полетов ВС гражданской авиации, что снижает безопасность полетов.

8. Темпы роста производства и распространения БПЛА и легкомоторных ВС намного опережают национальные программы внедрения системы ADS-B во многих государствах. Даже в США, которые только магистральную авиацию переведут на ADS-B в 2020 году, беспилотников будет летать сотни тысяч, если не миллионы ^[18].

Перечисленные выводы позволяют сделать заключение, что создававшаяся для авиации на больших высотах система зависимого наблюдения ADS-B и приемо-передающее радиооборудование сетей авиационной связи, не обеспечит требуемую эффективность, в ряде случаев будет не применима в эксплуатации малой и беспилотной авиации в ВП классов G и нижних высотах ВП класса С.

Расширяя круг исследований сравнительных характеристик по оценке использования радиокоммуникаций и каналообразующих устройств для легкой авиации был проведен анализ альтернативных сетей радиосвязи, также имеющих большое покрытие географических территорий и массовость в использовании.

Принцип установления собственных координат, в том числе, с помощью ГСС ГЛОНАСС/GPS, и передачи их контролирующим структурам, используемый в системе ADS-B, не является уникальным. Исторически автоматический зависимый мониторинг движения объектов по передаваемым данным телеметрии активно использовался в середине ХХ века в управлении ракетной техникой и, особенно, в управлении полетами космических аппаратов. Центры управления полетами использовали свою специально созданную наземную сеть приемников, передатчиков и ретрансляторов для приёма-передачи сигналов.

Современные технологии обеспечили внедрение значительных достижений НТП в области связи и телекоммуникаций в последние десятилетия, создав технологию и инфраструктуру системы мобильной GSM/GPRS связи. Данная сеть была исследована в работе по ранее установленным техническим и экономическим критериям на возможность и эффективность использования малой и беспилотной авиацией ^[19]. Были получены следующие результаты:

- сотовая сеть имеет большее радиопокрытие населенных территорий всех стран;

- оборудование мобильной телефонии по весу может составлять десятки граммов и потреблять минимальное количество электроэнергии, в отличие от бортового ADS-B передатчика, требующего питания 27 В постоянного тока;

- стоимость транспондеров и услуг связи из-за массовости самая низкая из всех сетей;

- сотовая связь надежнее и эффективнее каналов ГСС, много дешевле;

- система мобильной GSM/GPRS связи позволяет создавать любую конфигурацию структур органов ОрВД, не ограничивая в объеме и качестве передаваемой информации;

- все телекоммуникационное, программное и каналообразующее оборудование работает в настоящее время, что не требует дополнительных капиталовложений, имеет апробированные и внедренные сервисы по мониторингу транспортных объектов.

Данная система GSM/GPRS связи, находящаяся в многолетней коммерческой эксплуатации миллионов пользователей, развивается на основе постоянного совершенствования качества связи и надежности средств коммуникаций.

Внедренная технология GPRS (General Packet Radio Service), т.е. пакетной передачи данных, позволила одновременно с мобильной телефонией использовать сети GSM для передачи потокового вещания, включая интернет, мобильное ТВ, коммерческие услуги и, самое важное, установление и отслеживание местонахождения абонентов и объектов мониторинга. Последнее осуществляется трансляцией по GPRS-каналам устанавливаемых приемником ГЛОНАСС/GPS, совмещенных с GSM/GPRS-модулями, собственных координат, как в системе ADS-B, на мониторы диспетчерских служб. Примером высокого качества использования сетей GSM/GPRS связи может служить система экстренного реагирования ЭРА-ГЛОНАСС ^[20].

Таким образом, сеть мобильной GSM/GPRS связи по критериям эффективности превосходит сеть авиационной связи и наблюдения ADS-B и сеть ГСС для обеспечения ОрВД и контроля ИВП легкой авиации в нижних сегментах ВП.

Способ ОрВД на основе коммуникаций GSM/GPRS связи

Для решения задачи наблюдения, идентификации и контроля ИВП как способа ОрВД в ВП С и G классов предлагается создать систему идентификации и контроля за ИВП на основе мобильных GSM/GPRS сетей связи и A-GPS технологии. Сущность способа заключается в определении текущих координат летательного аппарата с помощью бортового ГЛОНАСС/GPS-оборудования (транспондера) и передаче установленного местоположения, а также высоты, скорости и других данных полета через транспондер и элементы мобильной телефонии по GSM/GPRS сетям связи на рабочие мониторы диспетчеров ОрВД.

На каждом ЛА малой авиации и БПЛА должны быть установлены миниатюрные бортовые приемо-передающие ГЛОНАСС/GPS-транспондеры, аналогичные используемым в системах спутникового мониторинга транспорта или в системах аварийного оповещения ЭРА-ГЛОНАС и eCall (Европейского Союза). В ГЛОНАСС/GPS-транспондере используется приемник ГЛОНАСС/GPS сигналов, совмещенный с передатчиком, передающим сигналы в диапазонах 900, 1800, 1900 МГц GSM/GPRS связи. В транспондере элементы мобильной телефонии совмещены со слотом СИМ-карты и подключены к каналам определения высоты и скорости ЛА.

При регистрации летательного аппарата регистрирующие органы должны выдавать идентифицирующие СИМ-карты, помещаемые в бортовые ГЛОНАСС/GPS-транспондеры, совмещенные с GSM/GPRS-модулем. Во время осуществления полета оборудование передает полетную информацию в виде сигналов через GSM/GPRS сети связи и приемники системы ADS-B на специальные телематические сервера органов ОрВД. После программной обработки информация поступает на мониторы автоматизированных рабочих мест диспетчеров ОрВД для контроля правомерного использования воздушного пространства и организации воздушного движения.

Выводы

Развитие транспорта зависит от эффективности и гибкости созданной для него инфраструктуры. Своевременность постановки задачи обеспечения этой эффективности определяет производственные мощности, пропускную способность, темпы развития, безопасность и экономичность будущих перевозок. Для авиатранспорта экономичность и безопасность являются краеугольными факторами, т.к. тесно вязаны с высокими рисками невосполнимых потерь в результате транспортировки пассажиров.

1. Представленный способ ОрВД для малой и беспилотной авиации на основе бортового ГЛОНАСС/GPS-оборудования и GSM/GPRS сетей является наиболее экономичным и ресурсосберегающим для владельцев и эксплуатантов ЛА малой авиации и БПЛА. Это позволяет, при использовании недорогих летательных аппаратов, направлять сэкономленные средства на увеличение темпов развития транспортных средств и организацию авиаперевозок.

2. Обеспечение высокой ситуационной осведомленности всех участников воздушного движения и диспетчеров ОрВД на основе достоверных данных географических координат летательных аппаратов позволяет осуществлять эффективность использования и контроль ВП, увеличивать пропускную способность секторов ВП при высоком уровне безопасности полетов.

3. Способ позволяет существенно снизить нагрузки на авиадиспетчеров органов ОрВД, работающих в нижнем сегменте ВП G и частично С классов, автоматизировать процессы управления воздушным движением и контроля воздушной обстановки как в разделенном ВП, так и совместно используемом пилотируемой и беспилотной авиацией.