Интеграция дистанционно пилотируемых авиационных систем (ДПАС) в гражданское воздушное пространство – некоторые проблемы и возможные пути решения; самоорганизующиеся воздушные сети (СВС); математическое моделирование использования СВС при управлении воздушным движением; требования к СВС с точки зрения организации полетов ДПАС в гражданском воздушном пространстве. ГосНИИ авиационных систем (ГосНИИАС) Э.Я.Фальков 29/08/20131Авионика и CNS/ATM, МАКС 2013

Предмет рассмотрения Полеты ДПАС в воздушном пространстве классов А – С по правилам IFR (инструментальные правила полетов) Полеты в специально выделенном воздушном пространстве (segregated airspace) не рассматриваются В остальных классах, включая класс G: хорошо бы решить все и сразу, но на ближайшие годы, а может быть, навсегда, это невозможно

К вопросу о Detect and Avoid в классе G Ставится задача ДПАС летать в классе G. Достаточно часто делаются инстинктивные попытки повторить пилота на борту ДПВС и повторить т.н. зрительный анализатор, в т.ч«глаза пилота», и, в частности, установить на борту устройств формирования изображения (ТВ, FLIR и пр.). После получения изображения на борту ВС возникают две тупиковые возможности: 1)обработать изображения на борту, принять решение и послать полученный результат о принятом решении пилоту ДПВС; вопросы связи в этом случае не вызывают проблем, но имеются большие сомнения относительно надежности автоматического принятия решений на борту ВС; ножницы при достижении достижимого и требуемого результата 2) послать изображение пилоту ДПВС в широкой полосе частот, чтобы принять решение на СДП. Широкие полосы частот сейчас в УВД не применяются; в будущем это можно будет разрешить с помощью AeroMax (только для движения по поверхности). Для ДПВС в воздухе решения не видно. Пилотируемой авиации это не нужно. Обе возможности весьма проблематичны. Но гораздо большие проблемы – увидеть ДПВС пилотом авиации общего назначения. Вывод: до получения опровергающих результатов не разрешать ДПАС летать в классе G.

ДПАС: голосовая связь и данные от/к системе УВД

Где делать шлюз? ИКАО: Голосовые УКВ сообщения от УВД к дистанционному пилоту поступают на ДПВС, преобразуются в цифровую форму и транслируются на СДП по ЛПД С2. Голосовые сообщения от ДП к УВД преобразуются в цифровую форму на СДП, посылаются на ДПВС по каналу С2, преобразуются в аналоговые голосовые сообщения и передаются по УКВ радио – шлюзы на каждом ДПВС. Асимметричный метод (персонал УВД посылает и получает голосовые сообщения в аналоговой форме, ДП делает то же самое в цифровой форме) поддерживает ся желанием не изменять оборудование и процедуры УВД в глобальном масштабе. Но это значительно усложняет оборудование всех ДПВС, больших и малых, и должно выполняться с учетом ограничений по массе, размеру, расположению, электроснабжению, управлению, обслуживанию и пр. Другой возможный метод: голос на пути от УВД к СДП преобразуется в цифровую форму не на борту ДПВС, а в наземной службе УВД; далее – все в цифровом виде. Конечно, это потребует установки определенного нового сертифицированного оборудования в УВД (точнее, не в УВД, а поблизости), где будут применяться две частоты для голоса – одна УКВ для аналоговой голосовой связи на пилотируемых ВС с организацией линий прослушивания, а другая (возможно, не УКВ) – для цифровой голосовой связи по каналу С2 для ДП с помощью ретрансляции (в цифре) посредством ДПВС. Применять цифровую голосовую связь проще и эффективнее; это общепринятый способ в звуковой индустрии и в беспроводной телефонной связи.

Вместо множества шлюзов на каждом ДПВС – один наземный шлюз, связанный с УВД Новое оборудование, предназначенное для УВД, не оказывает влияния на эксплуатацию пилотируемых ВС и будет касаться только действий ДПАС. Помимо УКВ голосовой связи также должна бытьорганизована трансляция данных УВД от УВД на СДП с помощью канала С2. Необходим шлюз между связью УВД (голосовой и данных) и каналом С2, и можно рассмотреть два подхода. Первый – ничего не менять в оборудовании УВД и возложить всю тяжесть задачи на ДПВС при существенных ограничениях. Второй – упростить бортовую часть и передать часть заданий на землю, не в службу УВД, а в некоторые наземные модули ДПАС УВД, что абсолютно не влияет на организацию полетов пилотируемых ВС, а в части ДПАС доставляет информацию в обоих направлениях – от ДПАС в УВД для построения полной картины УВД и от УВД к ДП для выполнения полетов под полным контролем УВД. Вместо множества шлюзов на борту ДПВС применяется один общий наземный шлюз.

ДПАС УВД модуль для двустороннего приема/передачи голоса и данных УВД (ATN patch)

RLOS: СДП и ДПВС в прямом доступе (Link d - прямой канал) C2 Link d RPS RPA

BRLOS: доступ СДП к ДПВС через спутник (Link s - спутниковый канал) RPARPA RPS C2 Link s

Долой монополию! Могут быть и другие способы взаимодействия ДПВС и СДП друг с другом и с пользователями воздушного пространства. Например, ДПВС 1 управляется СДП 1, а ДПВС 2 управляется СДП 2. Данные о положении ДПВС 1 может получить СДП 2, а данные о положении ДПВС 2 может получить СДП 1. В результате и СДП 1 и СДП 2 могут получить информацию о ситуации от обоих ДПВС. Это условие может распространяться на множество ДПВС и другие ВС, оснащенных таким же образом, что повысит общую ситуационную осведомленность. Для данного примера передача информации на землю от ДПВС должна быть организована следующим образом: - (i) данные о положении передаются в режиме вещания, - (ii) данные от ДПВС к своей СДП о статусе механизмов, определяющих поведение ДПВС, информация по встроенному контролю и др. могут передаваться в режиме радиовещания или в сквозном (на соответствующую СДП) режиме

Не только получать/посылать собственные, но и ретранслировать чужие сообщения Одним из важных моментов обеспечения интеграции ДПАС в гражданское воздушное пространство является требование иметь надежную связь между СДП и ДПВС. Когда какое-либо ДПВС способно быть соединенным со своей СДП не только напрямую, но также и через некоторые другие надежные/запасные пути, робастность функционирования ДПАС в гражданском воздушном пространстве существенно повышается. Когда какое-либо ДПВС способно получать данные не только от своего СДП и передавать не только данные о собственном ДПВС, фактически предоставляется функция ретранслятора в режиме переприема через ДПВС. В этом случае СДП может посылать контрольный сигнал для модификации поведения ДПВС не только напрямую, но и с помощью одного или более ДПВС, действующих как находящаяся в воздухе ретрансляционная станция/станции. Вместо ДПВС могут применяться и другие ВС, если они оснащены надлежащими транспондерами канала С2.

Воздушная сеть обеспечивает робастность связи При получении информации от окружающих ВС, использовании ее для ситуационной осведомленности и самоэшелонирования (фактически являющегося фундаментом для построения последующих систем Detect and Avoid), повторной передачи этих данных и передачи данных о собственном положении на все оборудованные ВС, СДП и УВД, ДПВС будет действовать как узел воздушной сети. Одно из важных свойств такой сети – робастность (повышенная устойчивость к помехами и к различного рода сбоям). ДПВС может получать управляющие сигналы/посылать статусную информацию не только напрямую от своего СДП, но и от находящихся поблизости ДПВС (действующих как ретрансляционные станции), при необходимости, несколькими дополнительными путями. Воздушная сеть должна удовлетворять ряду описанных ниже требований, это же соответственно относится и каналу С2.

BRLOS: доступ СДП к ДПВС в воздухе (RPA r - ДПВС-ретранслятор или любое оборудованное воздушное судно, Link a -канал ретрансляции в воздухе) RPS RPA RPA r C2 Link a В случае воздушной связи метка BRLOS содержит всю информацию об имеющейся воздушной сети между СДП и ДПВС (карту сети); количество скачков «борт-борт» и запаздывание сигнала минимизированы и известны.

BRLOS: доступ СДП к ДПВС через воздушную сеть C2 Link a RPA r RRRA r RPA RPA r RPS

Требования к воздушной сети (1) Основная функция воздушной сети (A-network) – обеспечить обмен информацией между объектами в пределах зоны обычного радиодоступа. К этим объектам могут относиться любые пилотируемые и беспилотные ВС, движущиеся и стационарные наземные и надводные устройства (передатчики/ приемники), снабженные аппаратурой (HW) и /или программным обеспечением (SW) для выполнения функций коммутируемых сетевых узлов. Все объекты A-network имеют привязку по координатам времени, например, с помощью GNSS. Зона обычного радиодоступа – это область, где каждый объект имеет радиодоступ по крайней мере к одному соседнему объекту. Вся циркулирующая в сети информация доступна для всех пользователей (узлов). При необходимости, каждый пользователь способен посылать данные в сквозном режиме. Обмен информацией ведется в пакетном режиме. При отсутствии прямого радиодоступа между объектами информация передается (транслируется) через другие объекты.

Требования к воздушной сети (2) Для подавления ложных имитируемых сигналов и обращения в системе «обнаружить и уклониться», время отправки каждого пакета соотносится со шкалой времени; это время включается в пакетное сообщение. Время прихода сигнала определяется при получении сигнала. Разница между временем отправки и получения сигнала позволяет вычислить расстояние между отправителем и получателем. Функции маршрутизации и коммутации пакетов возлагаются на HW/SW A-network, которая обеспечивает протоколы координации взаимодействия, поиск назначенных объектов, создание, обеспечение и контроль целостности пакетов. Для случая, когда все узлы сети используют одну и ту же частоту для получения и отправки сообщений, после получения данных узел должен хранить их до передачи. Работу сети следует организовать так, чтобы сократить время хранения данных во всех узлах, участвующих в цепи трансляции по доставке данных в нужный узел.

Требования к воздушной сети (3) A-network построена по принципу самоорганизации; она хранит и регулярно обновляет карту A-network, включающую: -текущую архитектуру сети в форме географических координат доступных для соединения объектов и их взаимодействия; -таблицу расстояний между объектами, вычисленных по их географическим координатам; -таблицу расстояний между объектами, вычисленных по измеренной величине времени распространения сигнала между объектами; -таблицу явных несоответствий между расстояниями, определенными по координатам и времени распространения; - таблицу пропускной способности каналов связи между объектами; -базу данных о местности и препятствиях для прогноза границ зоны прямого - радиодоступа. Сетевые адреса (номера) объектов с географической, временной и сетевой привязкой известны всем объектам сети.

Требования к воздушной сети (4) A-network обеспечивает следующие дополнительные функции электросвязи: a)Поиск объекта в A-network. Когда надо передать информацию на конкретный объект, можно применять «штурмовой» принцип, то есть послать запрос в режиме вещания, защищенном от повторного вещания в том же канале между узлами. b) Приoритеты сообщений определяются, исходя из содержания. Часть карты A-network для объекта позволяет маршрутизацию сообщения «вручную» или автоматическую в зависимости от ранга сообщения. Срочные (или критичные ко времени доставки) сообщения направляются согласно минимальному количеству трансляционных станций. Сообщения, требующие повышенной достоверности, направляются по кратчайшим возможным путям, обладающим наивысшей устойчивостью к помехам. Маршрутизация сообщений, не требующих специального внимания, осуществляется Таким образом, чтобы минимизировать потери пропускной способности каналов между узлами.

Требования к воздушной сети (5) с)Организация голосового обмена плюс к обмену данными; голосовые сети и сети данных используют разные частоты в соответствии с планами частот; если необходимо, A-network управляет переключением узлов для голосовой связи. d) Возможность посылать голосовые сообщения в режиме вещания (реализация функции спаренной линии («Party line»), используя свойства A-network для организации голосовой связи). e) Способность хранить информацию, полученную ранее от других объектов, когда ДПВС находится вне A-network, и доставлять ее в A-network в пределах зоны доступа (почтовая служба). f) Возможность защитить переданную информацию от несанкционированного доступа, замены, перехвата, ввода ложной информации с целью проверки подлинности сообщения

Голос и данные от/к УВД через спутник

Избежать задержки от спутников: линейные воздушные сети

Робастные mesh сети

Сочетание ДПАС УВД модуля и воздушной сети

Воздушно-космическая сеть Воздушные суда, входящие в воздушную сеть, функционируют и взаимодействуют с УВД самостоятельно. АЗ Н-В сообщения от воздушных судов в УКВ диапазоне и 1090 МГц, не входящих в сеть, поступают на низкоорбитальные спутники (Иридиум, Гонец) и ретранслируются на наземные спутниковые приемные станции, откуда поступают в систему УВД. Для получения информации эти воздушные суда ожидают вхождения в сеть. Глобальный характер применения. Прозрачный характер организации сети в случае использования самоорганизующегося временного множественного доступа.

Входные данные flighradar24.com (полетные данные онлайн)

Построение маршрутов (пример) Полёт AC029 Vancouver – Shanghai UTC00:0001:0001:3002:1002:3003:20 Координаты, °с.ш., в.д , , , , , , 131 Высота, км10,511 10,710,510,3

NameFlight 1 node[0]AC025 Vancouver – Shanghai 2 node[1]AC029 Vancouver – Beijing 3 node[2] SYL 499 Yakutsk – Ugolny (Anadyr) 4 node[3]AAR2453 Seattle - Seoul 5 node[4]Yakutsk – Ugolny (Anadyr) 6 Stnode[0]UAL7 Houston - Tokyo 7 Stnode[1]UAL803 Washington - Tokyo 8 Stnode[2]PO243 Cincinnati - Austin 9 Stnode[3] CZ318 Los Angeles - Guangzhou Statnode[0]: Komsomolsk-on-Amur station; Statnode[1]:Ugolny (Anadyr) station

Approximation to real flight traffic

Ugolny (Anadyr) AC025 Vancouv er – Shanghai AC029 Vancouv er – Beijing SYL 499 Yakutsk – Ugolny AAR245 3 Seattle - Seoul Yakutsk – Ugolny UAL7 Houston - Tokyo UAL803 Washing. - Tokyo PO243 Cincinna ti - Austin CZ318 LA – Guangzh. Komsom olsk-on- Amur Ugolny (Anadyr) AC025 Vancouv er – Shanghai AC029 Vancouv er – Beijing SYL 499 Yakutsk – Ugolny AAR245 3 Seattle - Seoul Yakutsk – Ugolny UAL7 Houston - Tokyo UAL803 Washing ton - Tokyo PO243 Cincinna ti - Austin CZ318 LA – Guangzh. Komsom olsk-on- Amur Моделирование сети, UTC = 00:

Ugolny (Anadyr ) AC025 Vancouv er – Shangha i AC029 Vancouv er – Beijing SYL 499 Yakutsk – Ugolny AAR245 3 Seattle - Seoul Yakutsk – Ugolny UAL7 Houston - Tokyo UAL803 Washing. - Tokyo PO243 Cincinna ti - Austin CZ318 LA – Guangzh. Komso molsk- on- Amur Ugolny (Anadyr ) - AC025 Vancouv er – Shangha i - AC029 Vancouv er – Beijing - SYL 499 Yakutsk – Ugolny - AAR245 3 Seattle - Seoul - Yakutsk – Ugolny - UAL7 Houston - Tokyo - UAL803 Washing t. - Tokyo - PO243 Cincinna ti - Austin - CZ318 LA – Guangzh. - Komso molsk- on- Amur - Ugolny (Anadyr ) - Моделирование сети, UTC = 01:

Ugolny (Anadyr) AC025 Vancouv er – Shanghai AC029 Vancouv er – Beijing SYL 499 Yakutsk – Ugolny AAR245 3 Seattle - Seoul Yakutsk – Ugolny UAL7 Housto n - Tokyo UAL80 3 Washin g. - Tokyo PO243 Cincinn ati - Austin CZ318 LA – Guangz h. Komsomo lsk-on- Amur Ugolny (Anadyr) - AC025 Vancouve r – Shanghai - AC029 Vancouve r – Beijing - SYL 499 Yakutsk – Ugolny - AAR2453 Seattle - Seoul - Yakutsk – Ugolny - UAL7 Houston - Tokyo - UAL803 Washingt on - Tokyo - PO243 Cincinnati - Austin - CZ318 LA – Guangzh. - Komsomo lsk-on- Amur - Моделирование сети, UTC = 02:

Ugolny (Anadyr) AC025 Vancouv er – Shanghai AC029 Vancouv er – Beijing SYL 499 Yakutsk – Ugolny AAR245 3 Seattle - Seoul Yakutsk – Ugolny UAL7 Houston - Tokyo UAL80 3 Washin g. - Tokyo PO243 Cincinn ati - Austin CZ318 LA – Guangz h. Komsomo lsk-on- Amur Ugolny (Anadyr) - AC025 Vancouver – Shanghai - AC029 Vancouver – Beijing - SYL 499 Yakutsk – Ugolny - AAR2453 Seattle - Seoul - Yakutsk – Ugolny - UAL7 Houston - Tokyo - UAL803 Washingto n - Tokyo - PO243 Cincinnati - Austin - CZ318 LA – Guangzh. - Komsomo lsk-on- Amur - Ugolny (Anadyr) - Моделирование сети, UTC = 02:

Ugolny (Anadyr ) AC025 Vancou ver – Shangha i AC029 Vancou ver – Beijing SYL 499 Yakutsk – Ugolny AAR24 53 Seattle - Seoul Yakutsk – Ugolny UAL7 Housto n - Tokyo UAL80 3 Washin g. - Tokyo PO243 Cincinn ati - Austin CZ318 LA – Guangz h. Komsom olsk-on- Amur Ugolny (Anadyr) - AC025 Vancouve r – Shanghai - AC029 Vancouve r – Beijing - SYL 499 Yakutsk – Ugolny - AAR245 3 Seattle - Seoul - Yakutsk – Ugolny - UAL7 Houston - Tokyo - UAL803 Washingt on - Tokyo - PO243 Cincinnat i - Austin - CZ318 LA – Guangzh. - Komsom olsk-on- Amur - Моделирование сети, UTC = 03:

Additional station on Kamchatka Peninsula

Использование вертолетов

Coverage area (1) Covered area: km 2 Covered area: km 2 Neighboring nodes: 3Neighboring nodes: 5 To determine the coverage area there is a need of taken to account the value of desired probability of connectivity Pcon. Coverage area is defining by radio range R. Pcon = 90% R = 400 km

Coverage area (2) Covered area: km 2 Covered area: km 2 Neighboring nodes: 3Neighboring nodes: 5 To determine the coverage area there is a need of taken to account the value of desired probability of connectivity Pcon. Coverage area is defining by radio range R. Pcon = 99% R = 400 km