CC BY
534
2009
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Студенческая наука
№ 150
УДК 621.396
ВОЗМОЖНОСТИ РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМЫ АВИАЦИОННОЙ ПОДВИЖНОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ КОНЦЕПЦИИ CNS/ATM И ПРИМЕНЕНИЕ ЕЕ ДЛЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ УСЛУГ НА БОРТУ ВС
О.А. ПОПОВА
Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.
Статья подготовлена под руководством кандидата технических наук Колядова Д.В.
В статье рассматриваются особенности концепции CNS/ATM в части реализации авиационной цифровой связи. Примером такой реализации может служить система связи для салона ВС, предназначенная для предоставления телекоммуникационных услуг пассажирам на борту ВС.
В настоящее время бурно развиваются технологии обмена информацией, а внедрение их в гражданскую авиацию стало актуальной проблемой в связи с различием подходов к организации воздушного движения и передачи сообщений. Устаревшие системы фиксированной связи уже не могут обеспечить качественную связь с воздушным судном (ВС). Это связано со стремительным возрастанием загруженности воздушных трасс, что влечет за собой массовые задержки при выполнении полетов. Основная доля задержек происходит по вине УВД, поскольку уменьшается пропускная способность аэропортов. Кроме того, на должном уровне отсутствует интеграция регулирования воздушного движения, управления деятельностью аэропортов и летной работы. Оптимизация взаимосвязи между бортовыми и наземными системами является неэффективной.
Международная организация гражданской авиации (ИКАО) утвердила концепцию CNS/ATM как способ решения вышеперечисленных проблем.
Концепция CNS/ATM определяет правила обслуживания информацией всех видов деятельности в наземных авиационных службах. В соответствии с концепцией ИКАО в части создания интегрированной глобальной системы регулирования воздушного движения, основной целью будущей системы организации воздушного движения (ATM) является обеспечение свободы эксплуатантам воздушных судов следовать по предпочитаемому маршруту с минимумом препятствий, соблюдая при этом требуемый уровень безопасности полетов. Новые технологии наблюдения (CNS) могут использоваться только тогда, когда будет достигнута международная гармонизация стандартов и процедур АТМ. Базой для реализации интегрированной системы регулирования является система ATN (Aeronautical Telecommunications Network) - глобальная сеть авиационной цифровой электросвязи. Выбор этой системы обусловливается тем, что современный этап развития связи и информатики характеризуется аналогичностью их технологических баз, основанных на представлении любой информации в цифровом виде, что обеспечивает простую и более экономичную обработку, хранение и передачу информации. ATN и связанные с ней прикладные процессы специально рассчитаны для того, чтобы обеспечить конечному пользователю надежную связь по различным сетям для обеспечения обслуживания воздушного движения. ATN обеспечивает повышенную защиту данных [1]. В основу сети положены признанные на международном уровне стандарты обмена данными, что позволяет создавать интегрированные сети передачи данных. Проект сети ATN позволяет наземным подсетям, подсетям «борт-земля» и бортовым подсетям передачи данных оперировать данными внутри этих подсетей и совместно использовать данные при помощи общего приемного интерфейса и протоколов, основанных на семиуровневой системе взаимодействия открытых систем (OSI).
В модели OSI средства взаимодействия делятся на семь уровней: прикладной, представления, сеансовый, транспортный, сетевой, канальный и физический. Каждый уровень имеет дело с совершенно определенным аспектом взаимодействия сетевых устройств.
Использование этой модели позволяет обеспечить совместимость систем, непрерывность обслуживания, использование линии передачи данных «борт-земля», эффективное и оптимальное сочетание спутниковых и наземных систем.
На настоящий момент наиболее актуальна другая четырехуровневая модель вычислительных систем TCP/IP^to связано с распространением этого протокола в глобальных сетях Internet/Intranet, поэтому эта модель используется в качестве основной [1].
Базовой моделью ATN для организации системы связи «борт-земля» является система ACARS (Airborne Communications Addressing and Reporting System) - бортовая система адресации и передачи данных. Система ACARS была разработана в 70-х годах прошлого столетия для обеспечения связи по линиям передачи данных между ВС и наземными станциями. Она позволяет отправлять короткие сообщения на скорости 2400 Бод, но обеспечивает высокую надежность передачи данных и значительно сокращает работу экипажа воздушного судна путем снижения голосового обмена с землей. Схема обмена информацией при обеспечении обслуживания воздушного движения с помощью системы ACARS представлена на рис. 1.
Рис. 1. Передача/прием сообщений ACARS на борту ВС
Бортовая система адресации включает в себя не только оборудование ВС, сюда входит также и обширная наземная часть. Бортовая система самолета состоит из управляющего звена (Management Unit), которое обеспечивает прием и передачу сообщений посредством радиосвязи и управляющее звено (Control Unit), которое служит для взаимодействия с экипажем, выводит сообщения на экран или принтер. Наземная часть системы включает в себя сеть из множества приемо-передающих станций и компьютерных коммутационных систем. Все это обеспечивает двухстороннюю связь между авиакомпаниями и их самолетами во время выполнения полетов.
Г лавной целью системы является информирование о проходимом этапе полета и состоянии оборудования воздушного судна. Самолет может посылать сообщения в автоматическом режиме, например, при отрыве или касании ВПП, при включении стояночного тормоза или при возникновении неполадок в оборудовании. По запросу может быть отправлено сообщение о количестве пассажиров, остатке топлива, состоянии двигателей и многое другое.
Все сообщения можно разделить на два типа: «Downlink» - передача с самолета на землю и «Uplink» - передача с наземной станции на самолет. Необходимо отметить, что нет единого формата сообщений, каждая авиакомпания использует нужный ей формат.
Сейчас в гражданской авиации реализуется концепция перехода от существующей системы обмена данными ACARS к системам связи нового поколения, использующим технологию формирования цифрового канала VDL((VHF Data Link) - ОВЧ канал передачи данных) как сетевого приложения ATN. Для передачи данных в системе ACARS используются радиоканалы ОВЧ диапазона, а также реализован алгоритм множественного доступа CSMA (множественный доступ с контролем несущей). В дальнейшем система была доработана таким образом, что можно было использовать возможности авиационной подвижной спутниковой связи (AMSS). AMSS является одним из фрагментов системы CNS/ATM, который имеет отношение к электросвязи, здесь предусмотрено девять радиолиний, которые обеспечивают связь «борт-земля».
AMSS включает геостационарные спутники связи, которые предназначены для подвижной связи, обеспечивают обширную глобальную зону действия и каналы речевой связи и передачи данных [1]:
• VHF - линии электросвязи диапазона (118-136 МГц) имеют высокую надежность и будут по-прежнему применяться для речевой связи в загруженных районах. Этот вид электросвязи в настоящее время используется в интересах службы воздушного движения (ATS), причем не только для голосовой связи, но и для передачи данных для авиационного операционного управления (АОС). Поскольку в данном диапазоне используется передача данных, то ИКАО приняло решение о переходе на разнесение используемых каналов на величину 8,33 кГц, что позволяет увеличить количество каналов до 2280. В связи с этим существует проблема модернизации применяемой в настоящее время аппаратуры.
• HF - линия электросвязи в полосе 2,8-22 МГц. Обеспечивает передачу сообщений на большие расстояния и обладает ограниченной возможностью радиосвязи из-за непостоянства распространения радиосигналов. Применение этого диапазона в основном предполагается в районах за полярным кругом.
• Режим 1 VHF - линия цифровой связи в диапазоне 118-137 МГц. Этот режим предполагает использование радиооборудования аналоговой VHF связи для обмена данными и использует частотную манипуляцию с минимальным фазовым сдвигом (MSK), что обеспечивает скорость передачи данных по каналу связи «борт-земля» 2400 бит/с. Вид доступа в канал связи -CSMA. Аналогом этой системы является система ACARS.
• Режим 2 VDL - обеспечивает совместную с ATN линию передачи данных «борт-земля» и предусматривает использование методов цифровой радиосвязи. Номинальная скорость передачи данных 31,5 кбит/с совместима с характеристиками связи при разделении каналов частотой 25 кГ ц.
• Режим 3 VDL - использует метод разделения каналов TDMA и обеспечивает речевую связь и передачу данных, совместимую с характеристиками связи при разделении каналов частотой 25 кГ ц.
• Режим 4 VDL - использует метод разделения каналов STDMA и обеспечивает речевую связь и передачу данных. Также он обеспечивает функцию навигации и наблюдения. Доступ в каналы согласно технологии организован так, что каждая станция отвечает за предварительный выбор резервирования каналов, который она хочет использовать. Все временные каналы синхронизированы по системе единого скоординированного времени.
• Линия передачи данных режима S вторичного радиолокатора обеспечивает возможность цифровой связи и представляет собой линию передачи данных «борт-земля», которая специально рассчитана для передачи ограниченных сообщений в районе с большой плотностью воздушного движения.
• HF линия передачи данных (цифровая связь) - обеспечивает линию передачи данных «борт-земля» в ВЧ канале передачи данных, совместима с ATN. Дополняет авиационную подвижную спутниковую связь в океанических и полярных регионах.
Аппаратура, обеспечивающая сопряжения внутри сети ATN, это наземная система ACARS, FANS - 1, FANS - A, работающая в режимах автоматического зависимого наблюдения (ADS) и CPDLC, диспетчерские рабочие места, наземные сети передачи данных.
Обмен данными между бортовым и наземным оборудованием должен осуществляться по ВЧ радиоканалам связи, согласно протоколам ARINC-618; -622; -623 в формате сообщений ACARS. Эти протоколы соответствуют сетевому и канальному уровню системы ISO (рис. 2).
Для работы в других уровнях используют протоколы 635-638, что соответствует транспортному, сеансовому, прикладному уровням и уровню представления данных [2]. Организация цифровой связи «борт-земля» в протоколах ARINC представлена на рис.3.
ARIMC 633, ARINC 597
ARIMC 637 ARIMC 635
ARINC 636
ARIMC 637
ARIMC 618
Под ci/cmewi связи е оз ду ш ного суд н э
Уровень 7.П рименения
Уровень 6.
П ре до ст ав ление данных
Уровень 5. Сессии
Уровень й. Транспортны й
Уровень 3. П зке тны й
Уровень 2.. Кэнэ ль ный
Уровень 1 .Физический
<;=
{
П о д с и с m ем з OS4 нэзвю ной с вязи
Уровень 7.Применєния
Уровень S. і7 редостзв ление данных
Уровень S. Сессии
Уровень й. Транспортны й
Уровень 3. П аке тны и
Уровень Кана льный
Уровень \ .Физический
AF9NC G18 IHFDL)
ARINC 6Э5
ARINC 753
=>
=>
П оде иствм s ВЧ н аз ем ной с еязи
Уровень 7. Прикладной
Уровень в . Предоставление данных
Уровень 5. Сеа нсовы й
Уровень Транспортный
Уровень 3 .Сетевой
Уров ень 2 . Передачи данных
Уро ее нь 1. Физический
ARINC 638
ARINC 637 ARINC 635
Rhdlc -
ISO 3309 (EX в 310,41. - - ISO 4335 В З 8.В7.
ARINC 618, AFUWi Є 20
П одсис тема сп утни ков ой се яз и (на зе мн а я ч з cm ь )
Уровень 7. Прикла дной
Уровень в . Предоставление данных
Уровень 5. Сеа нсовы й
Уровень і. Транспортный
Уровень 3.Сетевой
Уров ень 2 .
П ередачи данных
Уро ее нь f . Ф и зич ес кий
ISO 7809 (Е). В 1 2/М.
ISO 8885 (ЕХ втор. ред. 6/91
ARINC 638
ARINC 637 ARINC 741 4 ARINC 618
Рис. 2. Архитектура системы связи «борт-борт/земля-земля» с позиций модели КО
Рис. 3. Организация цифровой связи «борт/земля» в протоколах ARINC
Протоколы ARINC определяются также функционированием телекоммуникационного оборудования на борту ВС, предназначенного для обеспечения пассажиров большим комплексом современных услуг связи. Например, стандарт ARINC-746 «Система связи салона» определяет требования для сопряжения телекоммуникационного оборудования салона с бортовым оборудованием связи. С учетом этих требований определяется архитектура бортовой сети, которая включает в себя:
• различные системы беспроводного доступа в кабине ВС, называемые беспроводной локальной сетью, согласованной со стандартом IEEE 802.11b, для обслуживания Internet протоколов, универсальной системы мобильной связи (UMTS) на основе pico-ячейки для персонального пользования и передачи данных, и Bluetooth 1.1, который также пользуется стандартом соединения Internet протоколов локальной сети [3];
• спутниковую часть для связи кабины ВС с земной телекоммуникационной сетью.
Связь спутника с сетью осуществляется через сервисный интегратор, который обеспечивает разделение и переправление данных по одному или нескольким спутниковым каналам [3].
Обеспечение мобильной гетерогенной связи требует поддержки концепции новых протоколов, например, использование протокола IP для передвижной и виртуальной частной связи для индивидуальных пассажиров в мобильной сети. Для авиационной подвижной системы связи AMSS на основе спутниковой системы связи INMARSAT предусмотрены протоколы для обеспечения каналов речевой связи и протокол X.25 сетевого сегмента AMSS для передачи данных через спутниковый канал связи. Протокол AMSS X.25 обеспечивает передачу данных от нескольких абонентских бортовых узлов сетевого сегмента AMSS. В результате становится возможным передавать в параллельном режиме данные, генерируемые различными системами кабины экипажа и салона воздушного судна. Протокол AMSS X.25 используется бортовыми системами для установления сетевой связи с терминалами наземных сетей X.25 посредством системы адресации [1].
Ядром системы связи кабины салона ВС является центральный блок (сервисный интегратор), который обеспечивает сопряжение с телефонами, факсимильными аппаратами, компьютерами, а также с сотовой телефонной системой СВЧ-диапазона и сотовой телефонной системой L-диапазона. Данная бортовая сеть использует для своей реализации устройство маршрутизации, контроллеры радиосети для обеспечения универсальной системы мобильной связи через pico-ячейки или Bluetooth 1.1. Сервисный интегратор включает в себя уровни адаптации спутниковых сегментов, которые разрабатываются исходя из ширины полосы, задержки сигналов, вероятности потери пакетов для их компенсации. Также туда входят уровни направления неравномерных потоков данных и уровни согласования с протоколами локальных сетей. Все услуги могут быть связаны и переданы с помощью пары интеграторов. Маршрутизатор осуществляет соединение проводных и беспроводных сегментов при помощи стека протокола TCP/IP. Другие сегменты также нуждаются в сервисе протокола IP в кабине для использования DHCP-протокола динамической конфигурации, который позволяет автоматически получать IP адрес и другие параметры, необходимые для работы в сети TCP/IP или для работы AAA-сервера для описания процесса представления доступа и контроля за ним [3].
Различные беспроводные услуги связи, такие как UMTS, W-LAN, Bluetooth требуют разной архитектуры протоколов и связи «от точки к точке». Преимущества такого вида связи в том, что она обеспечивает достаточно высокую скорость передачи. Связь обеспечивается, как правило, в микроволновом диапазоне и базовая станция обычно соединяется проводной связью с проводной LAN, обеспечивая соединение с пользователями других базовых станций или пользователями проводной сети [4].
Спутниковые системы обеспечивают высококачественную цифровую связь с высокой степенью надежности в любой точке земного шара. В спутниковой связи используются каналы четырех типов. Р-канал действует в прямом направлении со скоростью передачи 600 бит/с при
двухпозиционной фазовой манипуляции. Этот канал может использоваться как функция в управлении системой. R-канал действует в обратном направлении со скоростью 600 и 1200 бит/с. Это канал с произвольным доступом, который передает сигнальные данные и данные в пакетном режиме. Сигнальные данные представляют собой начальные сигналы сообщения, как правило, сигналы запроса. С - канал действует в прямом и обратном направлениях и осуществляет передачу в цифровой форме потока данных или факсимильных сообщений. Т-канал действует в обратном направлении со скоростью передачи 600 и 1200 бит/с. Формируется резервный канал с многостанционным доступом и временным разделением каналов. Возможность использования каналов различного типа зависит от класса оборудования, установленного на борту воздушного судна. Для этого используются антенны высокого усиления AERO-H и AERO-1. Использование AERO-H соответствует требованиям низкочастотной передачи данных в пакетном режиме или в циклическом режиме. Отсюда можно выделить 4 класса оборудования, которое соответствует стандарту ARINC-741 [1].
ЛИТЕРАТУРА
1. Бочкарев В.В., Кравцов В.Ф., Крыжановский Г.А. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. - М.: Академкнига, 2003.
2. Кузьмин Б.И. Сети и системы авиационной цифровой электросвязи. - М.: - СПб.: НИИЭИР, 1999. - Ч. 1.
3. Jahn A., Holzbock M. Passenger multimedia service concept via future satellite systems.
4. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. - СПб.: Питер, 2008.
POSSIBILITIES OF MOBILE AERONAUTICAL COMMUNICATION SYSTEM IMPLEMENTATION ON BASIS OF CNS/ATM CONCEPT AND ITS APPLICATION FOR SUPPORTING ON-BOARD TELECOMMUNICATION SERVICES
Popova O.A.
In paper the features of CNS/ATM concept with regard to aeronautical digital communication implementation are considered. The example of such implementation is aircraft cabin communication system, which used to implement onboard telecommunication services for passengers.
Сведения об авторе
Попова Олеся Анатольевна, студентка факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА, область научных интересов - авиационная электросвязь, телекоммуникационные технологии.
