Способ организации воздушного движения на основе бортового ГЛОНАСС/GPS-оборудования и GSM/GPRS сетей в воздушном пространстве классов C, G

Алдюхов Александр Александрович кандидат экономических наук старший аудитор, ПАО "Аэрофлот-Российские авиалинии" 119002, Россия, г. Москва, ул. Арбат, 10, оф. ПАО 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.