Настоящая работа посвящена исследованию методов повышения эффективности поисково-спасательных работ в гражданской авиации (ГА). В работе производится анализ работы специализированных радиотехнических систем поиска и спасения, используемых в ГА, в условиях местности со сложным рельефом. По результатам анализа предлагается дополнить существующие системы поиска и спасения локальной системой на основе средств спутниковой и автономной навигации, позволяющей повысить вероятность обнаружения терпящего бедствие в условиях местности со сложным рельефом.
Актуальность работы. Ежегодно тысячи людей гибнут в результате различного рода катастроф. Для решения задач по спасению попавших в катастрофы были созданы службы поиска и спасения. Важность создания систем поиска аварийных объектов обусловлена тем, что аварийность авиационного транспорта продолжает оставаться сравнительно высокой, особенно для малой авиации. Это связано не только с состоянием парка воздушных судов (ВС) малой авиации, но и с более сложными условиями полета. Федеральные авиационные правила поиска и спасения в государственной авиации были утверждены Правительством Российской Федерации 6 февраля 2003 года (Постановление № 65). В соответствии с данными правилами авиационный поиск и спасение организовываются Федеральным управлением авиационно-космического поиска и спасения при Министерстве обороны Российской Федерации (ФПСУ). Авиационный поиск и спасение — это составная часть аэронавигационного обслуживания, заключающаяся в оказании своевременной помощи пассажирам и экипажам ВС при возникновении аварийных ситуаций [1].
Радиотехнический поиск является основным видом поиска. В настоящее время во всех аварийных случаях, угрожающих безопасности полета, экипаж ВС может подать следующие сигналы бедствия:
• сообщить о бедствии открытым текстом по действующим каналам управления полетом, по которым к началу сложившейся на борту аварийной ситуации ВС имело связь, и продублировать по общим каналам связи и пеленгации на аварийных частотах 121,5 (406,025) МГц и 2182 кГц;
• включить аварийный радиомаяк «Коспас-Сарсат» ;
• одновременно с передачей сигнала «SOS» или «Терплю бедствие» включить сигнал «Бедствие» на аппаратуре опознавания и сигнал «Авария» на ответчике УВД. При полетах вне границ Российской Федерации на ответчике УВД ИКАО устанавливается код 7700 «Бедствие» .
Кроме того, операция по поиску и спасению согласно правилам ФПСУ начинается при получении информации об аварии следующим образом:
• при получении доклада от экипажа воздушного судна, наблюдавшего бедствие;
• при получении сообщения о бедствии от очевидцев;
• при получении сообщения о бедствии от правоохранительных органов или органов исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органов местного самоуправления;
• при неприбытии воздушного судна в пункт назначения в течение 10 мин после расчетного времени и отсутствия радиосвязи с ним в течение более 5 мин;
• если экипаж воздушного судна получил разрешение на посадку и не произвел ее в установленное время с потерей радиосвязи с ним;
• при потере радиосвязи с экипажем воздушного судна и одновременного пропадания отметки радиолокационной проводки или потере радиосвязи более чем на 5 минут, если радиолокационная проводка не велась;
• при возникновении чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера.
Международным комитетом по радио и связи для радиотехнических средств поиска и спасения были выделены частоты и разработаны правила пользования ими. В соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) с 2005 года все ВС, подпадающие под действие Конвенции ИКАО (приложение 6), должны иметь на борту совместимый с системой Коспас-Сарсат аварийный радиомаяк (АРМ), работающий на частоте 406 МГц (АРМ 406)[1]. В связи с участившимися катастрофами вертолетов и региональных самолетов Министерством транспорта Российской Федерации в августе 2004 года было принято решение об оснащении АРМ 406 всех типов ВС. Таким образом, система Коспас-Сарсат является основной радиотехнической системой поиска и спасения в гражданской авиации.
Данная система также производит обработку сигналов АРМ, работающих на частотах 121,5 и 243 МГц. Радиомаяки, работающие на частоте 121,5 Мгц, доступны по цене, но используемая в них технология, которая не может быть улучшена достаточно простым способом, является причиной большого числа аварийных ложных срабатываний (более 98% срабатываний аварийных АРМ на частоте 121,5 МГц — ложные). Данная ситуация снижает эффективность поисково-спасательных операций (ПСО) и увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры. Вследствие этого с 2000 года комиссия Коспас-Сарсат инициировала план о полном прекращение работы системы Коспас-Сарсат на частоте 121,5/243 МГц с 2009 года. Более подробно с рекомендациями и планом прекращения обработки сигналов 121,5/243 МГц можно ознакомиться на официальном сайте системы Коспас-Сарсат [2].
АРМ 406 появился сравнительно недавно. Существующий парк ВС ГА нашей страны, имеющих на борту специализированные радиотехнические средства поиска и спасания, на 80% оборудован АРМ, работающими на частоте 121,5 МГц (аварийно-спасательная радиостанция Р855 и её модификации). С учетом экономической конъюнктуры, для большинства авиаперевозчиков, работающих на местных авиалиниях, переоборудование ВС АРМ 406 является достаточно дорогостоящим. Один радиомаяк стоит около $ 4500, комплект — вдвое дороже. Стоимость установки оборудования на самолет зависит от стоимости разработки конструкторской документации. Необходимо отметить, что система имеет низкую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие в условиях местности со сложным рельефом, на которую приходится наибольшее число аварий малой авиации. Это обусловлено следующими причинами:
• в условиях многолучевого распространения сигнала становится актуальной проблема надежности связи;
• в условиях ограниченного времени нахождения в зоне видимости объекта, терпящего бедствие, спутников низкоорбитальной группировки системы Коспас-Сарсат и воздействия многолучевости уменьшается вероятность определения местоположения объекта доплеровским методом;
• возникает проблема затенения рельефом местности спутников геостационарного сегмента системы Коспас-Сарсат;
• модели маяков, использующие протокол с координатами, не всегда могут получить достоверный отсчет местоположения объекта с использованием средств на основе глобальной навигационной спутниковой системы (СРНС) GPS/TJIOHACC из-за плохого взаимного геометрического расположения навигационных космических аппаратов (НКА) и АРМ, а также из-за недостаточного уровня принимаемого сигнала.
Кроме того, для АРМ 406 уровень ложных срабатываний остается довольно высоким: лишь одно из примерно 17 аварийных сообщений является действительным. Это увеличивает нагрузку на спасательно-координационные центры.
Кроме системы Коспас-Сарсат для поиска и спасения объектов, терпящих бедствие, в ГА используется локальная система. Обнаружение объектов, терпящих бедствие, и привод поисково-спасательных ВС в район авиакатастрофы в данной системе осуществляется с помощью автоматического радиокомпаса (АРК) по сигналам АРМ, работающего на частоте 121,5 МГц. Данная система была разработана в середине прошлого века и морально и технически устарела.
В настоящей работе рассматриваются вопросы создания локальной системы, позволяющей повысить эффективность поисково-спасательных работ в условиях местности со сложным рельефом.
Из изложенного можно сделать вывод об актуальности проведения исследо- ' ваний по теме диссертации.
Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка рекомендаций по созданию локальной системы поиска и спасения с минимально необходимым количеством оборудования, обеспечивающей высокую вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.
Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих основных задач:
• анализ работы существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;
• анализ возможности проведения навигационных определений с использованием приемоиндикатора (ПИ) GPS/TJIOHACC для решения задач поиска и спасения;
• выбор и обоснование структуры передаваемого сигнала, позволяющей повысить надежность канала связи в условиях многолучевого распространения сигнала и влияния других мешающих воздействий;
• анализ и обоснование состава средств навигации, позволяющего повысить вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в условиях местности со сложным рельефом.
Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы прикладные методы теории вероятности и случайных процессов, аппарат линейной алгебры, методы теории оптимального оценивания, а также методы математического моделирования.
Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые произведен системный анализ существующих радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом и предложены пути повышения эффективности поисково-спасательных работ с использованием спутниковых и автономных средств навигации.
В диссертации получены следующие основные результаты:
• произведен системный анализ функционирования радиотехнических систем поиска и спасения в условиях местности со сложным рельефом;
• разработаны принципы построения локальной системы поиска и спасения с применением автономных и спутниковых средств навигации;
• разработаны рекомендации по способам повышения надежности передачи навигационной информации в предлагаемой системе в условиях различных возмущающих воздействий, включая переотражения от подстилающей поверхности;
• произведена оценка влияния эффекта многолучевости на точностные характеристики амплитудных и фазовых радиокомпасов;
• дана оценка влияния систематической ошибки определения курсового угла АРМ радиокомпасом на время привода поисково-спасательного ВС к месту нахождения объекта, терпящего бедствие.
На защиту выносятся:
• результаты анализа влияния возмущающих факторов на вероятность решения задачи поиска и спасения объекта, терпящего бедствие, в условиях интенсивных мешающих воздействий и местности со сложным рельефом с использованием существующих радиотехнических средств поиска и спасения;
• принципы построения локальной системы поиска и спасения с использованием спутниковых средств (GPS/TJIOHACC) и автономных средств навигации.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные результаты могут быть использованы для создания локальной системы поиска и спасения, поскольку позволяют:
• повысить вероятность обнаружения объектов, терпящих бедствие, в условиях местности со сложным рельефом за счет использования помехоустойчивого канала передачи данных и приемника, когерентно собирающего энергию компонент многолучевого сигнала;
• снизить стоимость системы и повысить надежность её работы за счет минимизации состава оборудования;
• повысить скрытность работы системы поиска и спасания за счет передачи сигнала с очень низким уровнем мощности;
• повысить вероятность обнаружения объекта, терпящего бедствие, за счет использования автономных средств навигации.
Внедрение результатов. Основные результаты внедрены в Московском конструкторском бюро «КОМПАС» и в МГТУ ГА, что подтверждено соответствующими Актами.
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-практической конференции Третьего Сибирского Международного авиационно-космического салона (2004 год, г. Красноярск), на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» (май 2006 года, МГТУ ГА).
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и 3-х тезисах докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка используемых источников. Диссертация содержит 115 страниц текста, 47 рисунков, 7 таблиц и библиографию из 40 наименований.
выводы:
1. В предлагаемой локальной системе поиска и спасения в качестве автономного средства, позволяющего осуществлять привод поисково-спасательное ВС в район авиакатастрофы целесообразнее использовать АРК с амплитудным метод пеленгации, так как при прочих равных условиях амплитудные угломерные системы по сравнению с фазовыми реализуют меньшую или равную ошибку пеленгования в условиях многолучевого распространения сигнала. Причем, АРК, использующие амплитудный метод пеленгации, более простые в построении и, как следствие, имеют более низкую стоимость.
2. При многолучевом распространении сигнала погрешность определения курсового угла АРМ фазовым и амплитудным АРК при соотношении сигнал/шум -40 дБ изменяется по синусоидальному закону с амплитудой, не превышающей 7° и 6°, соответственно, и периодом повторения 2−3 с. Постоянная времени системы управления поисково-спасательным воздушным судном существенно превышает этот период, вследствие чего данный тип погрешности не оказывает существенного влияния на качество работы системы.
3. Наличие систематической погрешности определения курсового угла АРМ АРК не оказывается существенного влияния на время привода поисково-спасательного ВС в район авиакатастрофы. При наличии ошибки определения курсового угла в 15° время привода воздушного судна к объекту, терпящему бедствие, увеличиваемся на 3,5%.
Заключение
.
Диссертация направлена на решение актуальной научной задачи совершенствования методов и средств навигационного обеспечения поисково-спасательных работ с использованием спутниковых и автономных средств навигации с целью повышения вероятности обнаружения объектов терпящих бедствие в условиях местности со сложным рельефом.
В результате проведенных исследований получены следующие научные результаты.
1. Получены расчетные соотношения, позволяющие оценить значение вероятности решения задач поиска и спасения средствами системы Коспас-Сарсат при использовании доплеровского метода определения местоположения объекта, терпящего бедствие, а также при получении координат от встроенного в аварийный радиомаяк приемоиндикатора СРНС и передаче их через ИСЗ низкоорбитальной и геостационарной группировок.
2. Показано, что при многолучевом распространении сигнала в условиях местности со сложным рельефом происходит существенное ухудшение надежности связи в системе Коспас-Сарсат, что, в конечном счете, приводит к снижению вероятности решения задач поиска и спасения.
3.. Предложена структура локальной системы поиска и спасения, использующая спутниковые и автономные средства навигации. Показано, что при использовании в канале передачи данных предлагаемой системы сигналов с расширенным спектром, сверточной схемы кодирования и перемежения позволяет достичь высокой помехоустойчивости работы системы в условиях воздействия различного рода помех.
4. Показано, что в условиях местности со сложным рельефом использование приемника, когерентно собирающего энергию многолучевых компонент сигнала расширенного спектра по пяти направлениям (RAKE-приемник), позволяет существенно снизить вероятность появления ошибок в канале передачи данных при наличии глубоких замираниях сигнала.
5. Проведен сравнительный анализ схемотехнических решений амплитудных и фазовых АРК, а также дана оценка потенциальной точности определения курсового угла АРМ с помощью АРК с использованием амплитудных и фазовых методов в условиях воздействия шумов и многлучевого канала распространения сигнала.
6. Дана оценка влияния систематической погрешности определения курсового угла АРМ с помощью АРК на время привода поисково-спасательного воздушного судна к месту нахождения объекта, терпящего бедствие.
7. Разработан программно-математический комплекс в среде математического научно-технического программирования MATLAB, позволяющий производить оценку влияния затенения рельефом местности и переотражений на качество функционирования системы Коспас-Сарсат и предлагаемой локальной системы поиска и спасания в условиях местности со сложным рельефом.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы.
1. Использование встроенного в аварийном радиомаяке приемоиндикатора СРНС позволяет определять местоположение объекта, терпящего бедствие, с вероятность ~0,75 и точностью до 500 метров (сг) даже при углах раскрыва ущелья, а = 50° при условии, что последнее полученное приемоиндика-тором значение координат передается в течение последующих 4 часов, а перемещение объекта незначительное.
2. Геостационарный сегмент системы Коспас-Сарсат не обеспечивает передачу аварийных сообщений на станцию приема и обработки информации при углах раскрыва ущелья менее 90° на всей территории нашей страны, а низкоорбитальный сегмент при углах раскрыва ущелья менее 90° позволяет решать указанную задачу с вероятностью 2% в течении суток.
3. При углах раскрыва ущелья менее 90° вероятность определения местоположения объекта, терпящего бедствие, доплеровским методом в системе Коспас-Сарсат не превышает значения 2% в течение суток.
4. При значениях задержки распространения компонент многолучевого сигнала 0 + 0,4 • 10~6 с и множителе ослабления 0,01 + 0,1 вероятность непрохождения сообщения аварийного радиомаяка через ИСЗ низкоорбитальной группировки системы Коспас-Сарсат на станцию приема и обработки информации составляет ~22%, что не обеспечивает решения задач поиска и спасения объекта, терпящего бедствие, с приемлемой вероятностью в условиях местности со сложным рельефом.
5. В качестве основного средства определения местоположения объекта, терпящего бедствие, в локальной системе поиска и спасения целесообразно использовать встроенный в АРМ приемоиндикатор СРНС. Для снижения времени поиска объекта в случае получения координат приемоиндикатором СРНС с низкой точностью (~5 км) в условиях местности со сложным рельефом или невозможности получения отсчета местоположения основным средством в качестве дополнительного навигационного устройства предлагается использовать АРК.
6. Использование в канале передачи навигационных данных ПСП дленной 10 230 символов и периодом повторения 1 мс позволяет осуществлять передачу данных без ухудшения качества при наличии как широкополосных, так и узкополосных помех, превышающих уровень мощности полезного сигнала на 20 и 35 дБ, соответственно, а также в условиях многолучевого канала распространения сигнала для компонент, задержка распространения которых превышает 0,1 мкс относительно сигнала, по которому произведена синхронизация по коду в корреляционном приемнике.
7. Использование в канале передачи навигационных данных сверточного кодирования со степенью кодирования к/п=½ и длиной кодового ограничения К=7, а также блочного перемежения позволяет осуществлять устойчивую работу системы при наличии при наличии пакета ошибок (до 13) вследствие воздействия импульсных помех и замираний сигнала.
8. Использование на борту поисково-спасательного воздушного судна пятика-нального RAKE-приемника позволяет более чем в 30 раз снизить вероятность ошибки в канале передачи данных локальной системы поиска и спасения при наличии глубоких замираний сигнала в случае, когда задержка при распространении переотраженных компонент принимаемого сигнала превышает длительность элемента ПСП (0,1 мкс).
9. В предлагаемой локальной системе поиска и спасения в качестве автономного средства, позволяющего осуществлять привод поисково-спасательное ВС в район авиакатастрофы целесообразнее использовать АРК с амплитудным метод пеленгации, так как при прочих равных условиях амплитудные угломерные системы по сравнению с фазовыми реализуют меньшую или равную ошибку пеленгования в условиях многолучевого распространения сигнала. Причем, АРК, использующие амплитудный метод пеленгации, более простые в построении и, как следствие, имеют более низкую стоимость.
10. При многолучевом распространении сигнала погрешность определения курсового угла АРМ фазовым и амплитудным АРК при соотношении сигнал/шум -40 дБ изменяется по синусоидальному закону с амплитудой, не превышающей 7° и 6°, соответственно, и периодом повторения 2-^3 с. Постоянная времени системы управления поисково-спасательным воздушным судном существенно превышает этот период, вследствие чего данный тип погрешности не оказывает существенного влияния на качество работы системы.
11.Наличие систематической погрешности определения курсового угла АРМ АРК не оказывается существенного влияния на время привода поисково-спасательного ВС в район авиакатастрофы. При наличии ошибки определения курсового угла в 15° время привода воздушного судна к объекту, терпящему бедствие, увеличиваемся на 3,5%.
