DOI: 10.22184/2070-8963.2022.104.4.66.70

Статья посвящена обеспечению возможности совместного пребывания в общем воздушном пространстве беспилотных и пилотируемых воздушных судов. Показано, что система автоматического зависимого наблюдения вещательного типа 1090ES не удовлетворяет требованиям времени ни по информационной безопасности, ни по эффективности передачи сообщений. В качестве ее замены на территории РФ предлагается использование технологии самоорганизующихся защищенных сетей АЗН-В на основе протокола бесконфликтного доступа к частотному ресурсу VDL-4.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по связи
Сб. статей под ред. Дмитриева С.А. и Слепова Н.Н. 3-е изд., перераб. и доп.
Другие серии книг:
Мир связи
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир фотоники
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #4/2022
Э.Фальков, С.Шаврин, В.Алешин
СЕТЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АЗН-В − РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ НАХОЖДЕНИЯ БПЛА В ОБЩЕМ ВОЗДУШНОМ ПРОСТРАНСТВЕ
Просмотры: 1141
DOI: 10.22184/2070-8963.2022.104.4.66.70

Статья посвящена обеспечению возможности совместного пребывания в общем воздушном пространстве беспилотных и пилотируемых воздушных судов. Показано, что система автоматического зависимого наблюдения вещательного типа 1090ES не удовлетворяет требованиям времени ни по информационной безопасности, ни по эффективности передачи сообщений. В качестве ее замены на территории РФ предлагается использование технологии самоорганизующихся защищенных сетей АЗН-В на основе протокола бесконфликтного доступа к частотному ресурсу VDL-4.
СЕТЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АЗН-В − решение проблемы нахождения БПЛА в общем воздушном пространстве

Э.Фальков, к.т.н., начальник отделения ФГУП "ГосНИИАС" / falkov@gosniias.ru,
С.Шаврин, д.т.н., профессор МТУСИ / sss@mtuci.ru,
В.Алёшин, к.т.н., ведущий инженер ФГУП НИИР им. М.И.Кривошеева

УДК 656.7.084.3, DOI: 10.22184/2070-8963.2022.104.4.66.70

Статья посвящена обеспечению возможности совместного пребывания в общем воздушном пространстве беспилотных и пилотируемых воздушных судов. Показано, что система автоматического зависимого наблюдения вещательного типа 1090ES не удовлетворяет требованиям времени ни по информационной безопасности, ни по эффективности передачи сообщений. В качестве ее замены на территории РФ предлагается использование технологии самоорганизующихся защищенных сетей АЗН-В на основе протокола бесконфликтного доступа к частотному ресурсу VDL-4.

Проблема безопасности полетов воздушных судов, возникшая на заре авиации вместе с открытием возможности самих полетов, не утратила актуальности до настоящего времени. Технические средства обеспечения безопасности полетов, а в более широком аспекте − безопасности воздушного движения, − совершенствовались параллельно развитию авиации в соответствии с доступными на разных этапах ее истории технологиями и интенсивностью воздушного движения.

Исторически первым эффективным решением обеспечения безопасности воздушного движения стали средства радиолокации для наблюдения за воздушными судами в обозримом пространстве. Это решение вследствие чрезвычайной технической сложности и дороговизны нашло весьма ограниченное по сравнению с общемировой потребностью наблюдения применение: главным образом, в зонах аэропортов, в районах государственных границ и других специальных местах. Наблюдение в районе аэропортов преследовало свою конкретную цель – предупреждение столкновений в воздухе и воздушных судов с наземными объектами. Результаты наблюдения используются диспетчерами для управления воздушным движением в районе аэропорта. Наблюдение на государственных границах и в райо­нах дислокации специальных объектов имеет другую цель: главным образом, определение текущих координат воздушного судна и вектора его движения (скорости и направления). Таким образом, радиолокационное наблюдение эффективно решает свои конкретные задачи, за рамками которых остается ряд проблем, в значительной степени влияющих на безопасность полетов.

Как известно, безопасность воздушного движения в значительной степени определяется ситуационной осведомленностью пилотов и наземного персонала о состоянии воздушного пространства: расположения в его пределах других летательных аппаратов и векторах их движения.

Естественно, радиолокационное наблюдение не в состоянии обеспечить пилотам необходимую степень ситуационной осведомленности, и эта функция наблюдения остается за рамками деятельности систем управления воздушным движением до на­стоящего времени.

Еще одной задачей наблюдения за воздушными судами является фиксация фактов аварийных ситуаций и координат летательного аппарата в этот момент с целью ускорения операций спасения и других действий, направленных на снижение последствий аварий. И цена этой информации тем выше, чем дальше от инфраструктуры спасательных органов произошла авария и чем меньше шансов получения этой информации средствами радиолокационного обнаружения.

Качественно новые возможности наблюдения за воздушными судами открыла эпоха создания глобальной системы навигации: систем GPS, ГЛОНАСС и аналогичных. Пилот летательного аппарата получил возможность определения координат воздушного судна и вектора его движения в реальном времени с высокой точностью. Оставалась задача передачи этой информации пилотам других воздушных судов и наземным службам для радикального решения проблемы ситуационной осведомленности и регистрации аварийных ситуаций. В рамках открывшихся возможностей мировым сообществом в лице Международной организации гражданской авиации (ИКАО) была разработана концепция автоматического зависимого наблюдения вещательного типа (АЗН-В). Данная концепция позиционировала АЗН-В как инструмент, дополнительный к радиолокационному наблюдению, с перспективой его замены в большинстве приложений гражданской авиации.
Из ряда стандартов АЗН-В, разработанных в разное время, следует отметить три:
  • стандарт UAT, используемый в США;
  • насаждаемый США всему остальному миру стандарт 1090ES;
  • предлагаемый для замены 1090ES стандарт VDL-4.

Стандарт UAT не имеет смысл рассматривать применительно к России вследствие частотной несовместимости с используемым в нашей стране оборудованием.

Система 1090ES была разработана "на скорую руку" в 80-х годах прошлого столетия в условиях сравнительно невысокой плотности воздушного движения. К сожалению, с самого начала она создавалась как "антисистема" в классическом понятии теории передачи сигналов и с точки зрения общей логики, предполагая неупорядоченную передачу летательными аппаратами однородных сообщений на одной несущей частоте с высокой вероятностью потерь сообщений вследствие взаимного подавления сообщений разных источников. Решающими факторами ее использования, по-видимому, явилась простота реализации и низкая стоимость. Кроме того, изначально предполагалось оснащение воздушных судов как передатчиками (ADS-B Out), так и приемниками (ADS-B In) сигналов АЗН-В, однако реально оснащение приемниками не получило достаточного для обеспечения ситуационной осведомленности распространения.

В настоящее время можно уверенно констатировать, что система 1090ES устарела и полностью исчерпала лимит оказанного ей доверия. Главной причиной неприемлемости ее использования в настоящее время и в будущем является полная невозможность обеспечения информационной безопасности, что при современном состоянии разгула квалифицированного терроризма в мире совершенно недопустимо.

Открытая передача в эфир идентификатора и координат воздушного судна предоставит террористу возможность наведения беспилотного летательного аппарата на любой конкретный объект с целью его уничтожения. Отсутствие возможности аутентификации не позволяет защитить приемник воздушного судна от "фантомов в воздухе", а дисплей диспетчера − от завала спамом из заранее записанных из эфира сообщений.

Эффективность системы 1090ES на практике тоже оказалась ниже реально представимой − в полном соответствии с положениями базовой теории передачи сигналов. Результаты зарубежных исследований показывают, что в условиях современной интенсивности трафика воздушного движения в районе аэропортов, где особенно высока цена информации АЗН-В, пропадание сообщений, вызванное перекрытием во времени сообщений разных воздушных судов, достигает 98%. Средний интервал приема сообщений от одного воздушного суда при этом составляет малоприемлемое значение − 14 с, за которое судно проходит 3,5 км.

Попытка повышения эффективности системы 1090ES, предпринятая американской администрацией путем включения АЗН-В в сферу спутниковой системы связи IRIDIUM NEXT, представляется бесполезной и бесперспективной, поскольку не снимает с повестки дня проблемы информационной безопасности. Добавим, что задержка сообщений в спутниковой системе дополнительно снижает ценность информации.

Радикальным решением проблемы наблюдения за воздушными судами, обеспечивающим достаточную ситуационную осведомленность пилотов с охватом потенциально опасных объектов, яв­ляется система АЗН-В на основе самоорганизующихся сетевых технологий, получившая название А-сеть.

Каждое воздушное судно должно оснащаться транспондером, выполняющим функцию приема, передачи и коммутационной ретрансляции сообщений АЗН-В. Бесконфликтный доступ к частотному ресурсу обеспечивается использованием протокола VDL-4, поддерживающего принцип самооргани­зующейся передачи с временным разделением сообщений для 75 объектов на одной несущей частоте. В спектре 108−138 МГц для этой цели выделены две несущие частоты для международных полетов. Для местных полетов необходимое количество частот (в пределах 1 000) может быть выделено в диапазоне 118−138 МГц.

Механизмом организации сетей, аутентификации и обеспечения конфиденциальности служит комбинация симметричной и двухключевой криптографии, причем двухключевые алгоритмы исполь­зуются для аутентифицированного конфиденциального обмена сеансовым ключом, а симметричные − для поддержки вещательного режима в пределах сети защищенного обмена сообщениями. На одной несущей частоте может быть обеспечена организация нескольких независимых сетей по общему принципу "каждому должно быть доступно только то, на что у него есть права". Возможна также организация каналов защищенного обмена между сетями.

Таким образом, А-сеть обеспечивает решение задач наблюдения и ситуационной осведомленности в защищенном от перехвата, повторов, фантомов и других деструктивных воздействий режиме.

Упомянутые технологии были представлены и защищены делегацией Российской Федерации на 38-й сессии Ассамблеи ИКАО и вошли в том 6 приложения 10 Конвенции по гражданской авиации (рис.1).

Самоорганизующаяся сетевая организация АЗН-В обеспечивает решение еще одной важной и ак­туальной сегодня проблемы − возможности совмещения в общем воздушном пространстве беспилотных и пилотируемых воздушных судов. В этом случае БПЛА должны быть оснащены типовыми транспондерами А-сети с отдельным типом идентификатора.

Для этого в рамках стандарта протокола VDL-4 предусмотрено расширение поля идентификатора на 3 бита по отношению к 24-битному полю адреса воздушного судна в ИКАО. Эти 3 бита определяют тип объекта, причем две комбинации закреплены за конкретными типами объек­тов: пилотируемыми воздушными судами (000) и вышками диспетчерских служб (111). Оставшиеся комбинации зарезервированы. Общая емкость резерва составляет 100663296 адресов (идентификаторов).

Действия БПЛА в общем воздушном пространстве аналогичны действиям пилотируемых воздушных судов. Одна из главных проблем совмещения БПЛА с пилотируемым воздушным судном заключается в возможности потери канала управления между пилотом и БПЛА, вызывающей явную аварийную ситуа­цию, чреватую столкновением БПЛА с пилоти­руемым ВС или другими объектами на земле или в воздухе. Потеря канала управления (C2 Link − Command and Control Link) может быть вызвана целым рядом причин − от неисправности оборудования до резких изменений погодных условий (ветер, ливневый дождь и пр.).
Технологии А-сети обеспечивают возможность безопасного разрешения ситуаций с потерей канала управления БПЛА. Для этого в протокол VDL-4 вводится флаг "потеря канала управления" − Lost C2 Link State (LС2LS), место для которого в штатном протоколе зарезервировано.

Сценарий действий в ситуации потери канала управления показан на рис.2. Этот рисунок иллюстрирует ситуацию случайного обрыва канала управления, вызванного препятствием распространению сигнала. В этом случае БПЛА должен лечь на заранее запрограммированный для него маршрут и активировать флаг LС2LS потери канала управления в нешифруемой части сообщения АЗН-В. Аналогичный флаг должен активировать пилот, что иллюстрируется на рис.3.

Во избежание имитации подобных ситуаций террористами сообщение АЗН-В должно передаваться в аутентифицированном режиме (шифрованием координат закрытым ключом) с метками времени в соответствии с рис.4.

При появлении потерявшего канал управления БПЛА в зоне радиовидимости другого объекта А-сети его сообщение подлежит расшифровке открытым ключом БПЛА (аутентификации) в соответствии с рис.5.

В случае возникновения подозрения возможности опасного сближения объект А-сети должен сформировать запрос Intent Request на передачу интента (штатные возможности протокола VDL-4). Потерявший канал управления БПЛА на этот запрос должен отправить пакет Intent Report с указанием точек изменения маршрута в соответствии с рис.6.

Полученная информация обеспечит окружающим объектам сети возможность совершения необходимых маневров для безопасного расхождения.

В случае, если в пределах одной А-сети будут зарегистрированы оба объекта − пилотируемый и потерявший управление БПЛА, то канал управления может быть восстановлен средствами А-сети в соответствии с рис.7.

Следующим шагом развития сетевой самоорганизующейся технологии АЗН-В могло бы стать ее включение в Общегосударственную сеть связи с использованием спутниковой системы на низколетящих космических аппаратах. В этом случае любой космический аппарат мог бы использоваться в рамках рассмотренной технологии в качестве узла сети с общими или специальными правами.

ВЫВОДЫ
Система автоматического зависимого наблюдения вещательного типа 1090ES к настоящему моменту устарела и не удовлетворяет требованиям времени ни по информационной безопасности, ни по эффективности передачи сообщений и является едва ли не главным тормозом совместной эксплуатации БПЛА и пилотируемых воздушных судов в общем воздушном пространстве.

Наиболее эффективной заменой технологии 1090ES на территории РФ представляется технология самоорганизующихся защищенных сетей АЗН-В на основе протокола бесконфликтного доступа к частотному ресурсу VDL-4.

Сетевая технология АЗН-В, получившая название А-сети, обеспечивает современный уровень ситуационной осведомленности пилотов, эффективность наблюдения, информационную безопасность и, в конечном итоге, безопасность воздушного движения.

Внедрение рассматриваемой технологии обеспечит совместную эксплуатацию БПЛА и пилотируемых воздушных судов в общем воздушном пространстве, снимая с повестки дня проблему потери канала управления между пилотом и БПЛА.

Рассмотренные технологии представлены и защищены делегацией РФ в Международной организации гражданской авиации и вошли в том 6 приложения 10 Конвенции по гражданской авиации.

В качестве перспектив развития сетевой технологии АЗН-В следует отметить возможность использования низколетящих космических аппаратов спутниковых систем в составе сетей на общих или специальных правах. ■
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art