Системы тактического деконфликтинга для беспилотников

Суверенная технология тактического деконфликтинга (ТД) является важнейшим фактором для успешной интеграции беспилотных авиационных систем в национальное воздушное пространство РФ. Разнообразие самих БВС, выполняемых ими миссий и соответствующих условий эксплуатации имеет результатом и многообразие технической реализации систем ТД в целом и их компонентов. Владислав Шифрин, советник генерального директора научно-исследовательского центра «Аэроскрипт», рассказывает о том, как на работе технологии сказываются условия эксплуатации, какие варианты построения компонентов систем ТД существуют, а также каково на данный момент состояние стандартизации в отрасли и какие меры могут помочь довести технологии до эксплуатационной пригодности.

Деконфликтинг в гражданской авиации традиционно реализуется как набор барьеров на пути к потенциальному столкновению в воздухе, начиная с организации ВП.

Тактический деконфликтинг является последним барьером на этом пути. Его отличительная особенность — использование данных наблюдения, и потому качество этих данных в большой степени определяет и качество самого сервиса. Для перехода к формальному определению — требованиям к системам тактического деконфликтинга (ТД) используют понятие требуемых характеристик связи, навигации, наблюдения (RCNSP — required CNS performance), которые определяют минимальные требования к техническим системам, поставляющим данные системам ТД.

Важнейшим понятием, определяющим эксплуатационные требования к системам ТД, является понятие эксплуатационного окружения (ЭО) — комплекс условий эксплуатации, таких как требования к интероперабельности, уровень рисков, летно-технические характеристики ВС, степень автономности ВС. Ранее [в предыдущей статье в журнале и на портале «Интеллектуальные транспортные системы России»] были детально рассмотрены варианты использования воздушного пространства (ВП) беспилотными авиационными системами (БАС). С точки зрения ТД имеет смысл остановиться на двух типах ЭО.

Контролируемое ВП. В контролируемом ВП, там где действуют правила полетов по приборам (ППП), ТД реализуется на двух уровнях: эшелонирование посредством диспетчерского обслуживания на основе данных наземного наблюдения системы УВД и предупреждение столкновений посредством бортовой системы предупреждения столкновений (БСПС, ACAS/TCAS II).

Полеты в контролируемом ВП и технические системы радиотехнического обеспечения полетов управления воздушным движением (системы CNS/ATM) строго стандартизированы на уровне ИКАО в виде Стандартов и рекомендуемых практик (SARPS) — ПРИЛОЖЕНИЙ к Конвенции о международной гражданской авиации. ПРИЛОЖЕНИЕ 10 том 4 (часть I) SARPS является нормативно-технической основой для систем вторичной радиолокации и основанных на ней БСПС (ACAS/TCAS II). Находящаяся в разработке ИКАО часть II ПРИЛОЖЕНИЯ 10 том 4 дополняет часть I требованиями к системам Detect & Avoid (DAA) для БАС. Материал этого документа базируется на стандарте RTCA DO-365X, который определяет несколько классов оборудования DAA бортового, наземного и смешанного базирования в трассовой зоне (EnRoute) и зоне аэродрома (DAA TMA) для дистанционно пилотируемых ВС (ДПВС), выполняющих полеты по ППП.

Системы DAA контролируемого ВП (соответствующие требованиям DO-365X) обеспечивают два уровня обслуживания: DAA эшелонирование (DAA RWC — remain well clear) и предупреждение столкновений (СА — collision avoidance). Разделение на два уровня диктуется тем, что в контролируемом ВП ответственность за эшелонирование несет диспетчер, а за предупреждение столкновений — пилот. Поэтому рекомендации системы DAA уровня RWC должны согласовываться с диспетчером УВД. В случае, когда конфликт продолжает развиваться (от 30 до 60 сек до прогнозируемого столкновения) так же, как и TCAS II, система DAA формирует рекомендацию для маневра уклонения, которая обязательна для исполнения внешним пилотом ДПВС.

Наиболее зрелой системой DAA бортового исполнения, соответствующей классу 3 DO-365C, является ACAS-Xu (стандарт RTCA DO-386). ACAS-Xu использует данные кооперативного наблюдения (АЗН-В 1090ES и бортового запросчика режима S вторичной радиолокации (ВРЛ)) и данные некооперативного наблюдения (ATAR — air to air radar, RTCA/DO-366X), а также общую для семейства систем ACAS-X математическую платформу логики тактического деконфликтинга, оптимизированную для условий эксплуатации (ЭО) ACAS-Xu.

В отличие от своего предшественника — системы TCAS II — ACAS-Xu использует данные АЗН-В (навигационные данные другого ВС, передаваемые по радиолинии связи 1090ES) не только для обнаружения угрозы, но и для формирования рекомендаций (уровня RWC), если эти данные валидированы данными независимого наблюдения.

Концепция «валидации данных зависимого наблюдения» является чрезвычайно важной и практически полезной в условиях, когда данные независимого наблюдения не обладают достаточным качеством и для формирования достоверных рекомендаций в системах ТД приходится использовать данные о скорости и местоположении, основанные на ГНСС.

В этом случае система ТД должна «доверять» данным ГНСС, полученным от другого ВС. Системы DAA для контролируемого ВП устанавливаются на ДПВС, что предполагает передачу данных DAA «вниз» (для пилота или наземного процессора DAA) и передачу команд управления «вверх» через линию С2. Эти эксплуатационные требования, в свою очередь, предъявляют требования к RLP (required link performance — требуемым характеристикам связи) линии С2. Возможность автоматического исполнения рекомендаций уровня СА бортовой системы DAA дистанционно пилотируемыми ВС в случае, когда пилот не реагирует на рекомендации, находится в стадии обсуждения.

Все системы ТД (DAA), которые используются ДПВС, выполняющими полеты по ППП, должны быть интероперабельными не только с системой ВРЛ (ответчиками ВРЛ и наземными системами наблюдения режима RBS/S), но и с уже развернутыми на пилотируемых ВС БСПС TCAS II. Последнее предусматривает совместимость рекомендаций, выдаваемых системами DAA обоих ВС. Совместимость рекомендаций обеспечивается специальным протоколом координации маневров, который реализуется по радиолинии 1030/1090 МГц и стандартизирован ПРИЛОЖЕНИЕМ 10 том 4 часть I, а также стандартом RTCA DO-382.

Таким образом, можно сделать выводы о степени зрелости технологий ТД, а именно: системы ТД бортового базирования для ДПВС, которые выполняют полеты по ППП в контролируемом ВП, обеспечены техническими стандартами (имеются требования), которые позволили перейти к следующему шагу развития технологии — созданию экспериментальных образцов и валидации (проверке соответствия требований/стандартов ожиданиям потребителей) самой технологии и конкретных образцов оборудования. Эти стандарты базируются на многолетнем опыте разработки и эксплуатации систем ВРЛ и БСПС. Но есть и ложка дегтя. В отличие от других технологий, часть стандарта на системы ACAS-X закрыта и распространяется RTCA по запросу, что делает разработку таких систем крайне рискованной для российских разработчиков, особенно в долговременной перспективе с учетом неизбежных изменений требований. В отличие от систем бортового базирования, системы DAA наземного (GB DAA) и смешанного базирования, не обеспечены полнофункциональными стандартами и не имеют такой истории развития. ВП, где диспетчерские услуги по эшелонированию не предоставляются. По существующей на момент написания классификации ВП, где не предоставляются диспетчерские услуги по эшелонированию, именуется неконтролируемым ВП (в РФ класс G).

В будущем, если будет принята концепция Цифрового полета [Forum for Digital Flight: Enabling Future Operational Concepts in the National Airspace System for All Airspace Users, RTCA Secretariate Paper No: 339-23/SECR-020, December 20, 2023], можно ожидать создания объемов ВП, где действуют Правила цифрового полета (ПЦП). В этом случае информационные услуги, предоставляемые системой ТД, можно рассматривать как один из сервисов ПЦП, ответственный за эшелонирование и предупреждение столкновений. Понятие эшелонирования для ВП цифрового полета на данный момент не определено. Так как функцию эшелонирования в таком ВП выполняет машина (автоматизированный сервис ТД), по-видимому, можно считать, что рекомендации, относящиеся к эшелонированию автоматически согласованы и не требуют процедуры согласования, как в контролируемом ВП. В отличие от контролируемого ВП системы ТД для воздушного пространства, где не предоставляются услуги по диспетчерскому эшелонированию, не обременены требованиями к интероперабельности, там нет необходимости для разделения сервиса ТД на два уровня, ожидаемые риски могут быть существенно ниже, обслуживаемые ВС (БВС) обычно меньше по размерам, их ЛТХ более разнообразны, и ограничение на уровень автономности отсутствует.

Можно предположить, что соответствующие ЭО могут варьироваться от низких рисков, где могут использоваться сравнительно дешевые системы зависимого наблюдения и автономные БВС, не требующие постоянной связи с внешним пилотом, до ВП высоких рисков, например, будущих систем городской аэромобильности, которые потребуют независимых резервированных систем наблюдения с высокими требуемыми характеристиками CNS. Возможны и промежуточные варианты ЭО средних рисков, где могут использоваться более дешевые независимые системы наблюдения, обеспечивающие валидацию данных зависимого наблюдения.

В неопределенном будущем технологии ТД могут обеспечивать автономное (беспилотное) ВС данными, которые позволят ему своевременно обнаруживать угрозы и совершать эффективные маневры уклонения без поддержки наземной инфраструктуры.

Основным вызовом является создание бортовых систем наблюдения требуемого качества малых размеров, веса и энергопотребления. В большей степени это касается независимых систем наблюдения и особенно — некооперативных.

Также возможен вариант архитектуры, когда источником достоверных данных является независимая система навигации в сочетании с передачей данных по защищенной радиолинии. В этом случае система наблюдения может классифицироваться как зависимая, но навигационные данные не основаны исключительно на ГНСС. Вопрос о соответствии характеристик такой архитектуры требуемым характеристикам CNS для ТД остается пока открытым.

Другим вызовом является разработка математического аппарата и алгоритмов ТД — логики ТД (ЛТД), которая будет устойчива к ошибкам навигации/наблюдения, сможет адаптироваться под индивидуальные ЛТХ БВС, учитывать другие угрозы, такие как вторичные конфликты, близость земли и препятствий, области неблагоприятных метеоусловий. До достижения системами ТД такого уровня технологической зрелости целесообразно продвигаться поэтапно, ставя достижимые цели в части обеспечения приемлемого уровня рисков и требуемых характеристик систем ТД.

Базовые понятия, на которых основаны современные системы ТД, были заложены еще в 1970–1990-е годы в результате разработки первых версий БСПС TCAS II (RTCA DO-185) для пилотируемых ВС. Позднее, с появлением систем DAA для дистанционно пилотируемых ВС, появились новые понятия и термины. Точность определения базовых понятий и их обоснованные количественные характеристики определяют качество требований к соответствующим техническим средствам и служат основой для успешной реализации. Отметим, что русскоязычной терминологии для систем DAA/ТД пока не существует, и даже в русскоязычных документах ИКАО используется англоязычная терминология, что часто оставляет излишнюю свободу для интерпретации. Далее, в этой работе, автор сделал попытку сформулировать некоторые основные понятия на родном языке там, где посчитал это уместным.

Защитный объем предупреждения столкновений (СА — collision avoidance), в отношении которого выстраиваются меры смягчения воздушных рисков, называют NMAC (near mid air collision). В «большой авиации» [ИКАО/SARPS ПРИЛОЖЕНИЕ 10 том 4 часть 1] NMAC принят с размерами 500 футов по горизонтали и 100 футов по вертикали. Для меньших по размерам БВС (и ВП большей интенсивности) объем NMAC, очевидно, должен быть уменьшен. Предотвращение события NMAC (когда два ВС находятся внутри цилиндра NMAC) является целью функционирования современных бортовых систем предупреждения столкновений в воздухе (БСПС — TCAS II и ACAS-Xa) и функции СА систем DAA БАС.

После возникновении события NMAC событие «столкновение в воздухе» (МАС) не контролируется системой DAA/TД и происходит с вероятностью, которая зависит от размеров NMAC и размеров участвующих ВС. Эта вероятность получила наименование провидение (providence). Для больших ВС она составляет примерно 0.1, для малых ВС она оценивается в зависимости от их размеров и доходит до 0.026 для принятого размера NMAC.

[ИКАО/SARPS ПРИЛОЖЕНИЕ 2] содержит норму о том, что ВС должны находиться на таких расстояниях, чтобы не создавать угрозы столкновений (well clear). В связи с этим появилось понятие Remain Well Clear (RWC) — сохранять безопасные интервалы; оцифрованный защитный объем, соответствующий этой цели и событие Loss of Well Clear (LoWC), которое происходит, когда два ВС находятся внутри защитного объема RWC.

Событие LoWC и соответствующее взаимное расположение конфликтующих ВС может быть определено на основе статистических моделей, которые учитывают 4D геометрию конфликта и летно-технические характеристики (ЛТХ) ВС, или может рассчитываться логикой ТД в реальном времени. В первом случае защитный объем фиксируется и определяется допустимой вероятностью возникновения NMAC, во втором случае защитный объем определяется динамически с учетом условий конфликта. Системы ACAS-X используют первый подход, конкретные значения варьируются и зависят от назначения системы и обслуживаемой зоны. Событие LoWC определяет тип и время формирования оповещения (alert) пилоту. Под оповещением понимается визуальный и/или голосовой механизм привлечения внимания внешнего пилота (ВнП) к ситуациям (связанным с воздушными рисками), которые требуют его внимания или реакции.

Красное оповещение (warning level alert) — оповещение, формируемое для ВнП, имеет цель проинформировать ВнП о том, что необходимо начать немедленный маневр для избегания события NMAC. Красное оповещение — это информация о последней возможности избежать события NMAC. Красное оповещение формируется заблаговременно для того, чтобы дать возможность пилоту избежать NMAC.

Желтое оповещение (caution level alert) — оповещение, формируемое для ВнП, которое имеет цель проинформировать о приближении к границе RWC — событию LoWC. Во время Желтого оповещения ВнП может начать «мягкий» маневр избегания NMAC, не дожидаясь Красного оповещения.

Оповещения сопровождаются рекомендациями о маневре. Рекомендация (RA — resolution advisory) — механизм доведения до ВнП параметров маневра с целью разрешения конфликта. Рекомендация указывает пилоту на необходимость, желательность или возможность выбора или избегания определенных параметров движения. Конкретная подразумеваемая модальность Рекомендации зависит от степени эскалации конфликта и может зависеть от уровня рисков. Рекомендации ТД классифицируются на вертикальные, горизонтальные и по скорости, а также по модальности исполнения. Далее приведены определения некоторых типов рекомендаций, которые дают представление о соответствующих функциях системы ТД.

Позитивная RA — рекомендация, которая указывает пилоту на необходимость, желательность или возможность выбора определенных параметров движения. Позитивная RA сопровождается диапазоном рекомендуемых параметров движения и может быть выдана во время желтого или красного оповещения. Позитивная рекомендация, выданная во время Красного оповещения, является Директивной (Directive). Директивные RA обязательны для исполнения, если участники ВД в данном экземпляре ВП добровольно приняли на себя обязательства (договорились между собой) их исполнять или если имеется такая норма регулятора. Необязательная Позитивная рекомендация называется Консультативной (Suggestive). Она относится к уровню RWC и в контролируемом ВП должна согласовываться с диспетчером УВД. Директивные рекомендации относятся к уровню СА, где ответственность переходит к пилоту — такие рекомендации не должны согласовываться с диспетчером и в данном случае являются обязательными для исполнения.

При переходе к деконфликтингу в ВП, где нет диспетчерского обслуживания, все рекомендации являются Директивными в том смысле, что они не подлежат согласованию. Можно считать, что они уже согласованы самим фактом своего формирования. Но являются ли они обязательными для исполнения или консультативными, в основном зависит от уровня рисков данного экземпляра ВП. Этот вопрос остается нерешенным, пока не сформулирована НБ для ВП цифрового полета (ПЦП).

В ВП ПЦП более высоких рисков система ТД должна быть сертифицирована, если ее рекомендации являются обязательными для исполнения. В ВП меньших рисков рекомендации могут предоставляться в качестве консультативной информации там, где в контуре управления БВС присутствует человек. Если рекомендация выдана для исполнения системой управления полетов автономного ВС, то, по-видимому, она является обязательной для исполнения, если только на борту нет ИИ, который уполномочен интерпретировать рекомендации.

Превентивная RA — рекомендация, которая указывает пилоту на недопустимость или нежелательность выбора определенных параметров движения. Превентивная RA сопровождается диапазоном нерекомендуемых параметров движения. Превентивная корректирующая RA — это превентивная RA, которая формируется во время Желтого оповещения. ВнП может выбрать маневр за пределами превентивной корректирующей RA (с небольшим изменением направления) до формирования Красного оповещения.

Подход ИКАО, основанный на требуемых характеристиках (RPA — required performance approach), в полной мере может быть применен к системам ТД с использованием метрик. Концепция RPA позволяет формулировать количественные требования к характеристикам, а техническую реализацию оставить на усмотрение разработчика. Метрики ТД классифицируются на относящиеся к безопасности (safety related) и относящиеся к эффективности (suitability related).

Основной метрикой является коэффициент смягчения рисков (RR — risk ratio), который определен как отношение количества конфликтов после системы ТД к количеству конфликтов на входе системы ТД. Идеальная система ТД имеет RR = 0. Система, единственной функцией которой является генерация конфликтов там, где их нет, имеет RR > 1. Реальные системы ТД также могут генерировать новые конфликты.

Оценка RR выполняется методом моделирования статистически обоснованного количества репрезентативных конфликтов. «Репрезентативных» означает, что условия конфликтов являются характерными для данного ЭО. Для корректной оценки RR критическим является обеспечение полноты типов сценариев в модели. Полученный таким образом RR жестко связан с условиями эксплуатации, принятыми для модели. Стоит отдельно отметить, что оценка RR зависит от модели исполнения рекомендации. Например, ранний или поздний маневр или наличие/отсутствие человека в контуре управления БВС могут давать разные оценки RR. Метрики, относящиеся к эффективности, могут включать общее количество оповещений, количество «лишних» оповещений, расходы, связанные с возвратом на плановую траекторию и пр.

Одним из примеров реализации систем ТД для ВП, где не предоставляются диспетчерские услуги по эшелонированию, является система DAA ACAS-sXu (RTCA DO-396). В отличие от ACAS-Xu, sXu не включает в себя источники данных. В стандарте определены интерфейсы приема данных зависимого наблюдения по радиолиниям АЗН-В (1090ES и UAT) и V2V (радиолиния находится в стадии разработки). Также определены интерфейсы для приема данных от независимых источников наблюдения (радиолокаторы, мультистатические системы наблюдения, оптические и инфракрасные, ...).

ЛТД ACAS-sXu (TRM — threat resolution module) использует общую математическую платформу семейства ACAS-X, реализованную как оффлайн-модель, которая генерирует бинарные просмотровые таблицы. Как и для других систем ACAS-X, таблицы распространяются RTCA США на основе индивидуальных запросов.

ACAS-sXu покрывает широкий класс архитектур бортового, наземного и смешанного базирования и предназначена для «меньших» БВС, выполняющих полеты в ВП США, где не предоставляются диспетчерские услуги по эшелонированию. Меньшими считаются БВС, размер которых менее 25 футов. Отметим, что размер БВС является в данном случае вторичным фактором, первичным является отсутствие диспетчерского обслуживания. Один из вариантов архитектур sXu предполагает, что ЛТД функционирует как сервис/функция системы UTM.

НИЦ АЭРОСКРИПТ разрабатывает сервис ТД, который интегрирован в цифровую платформу «Небосвод». По сравнению с вариантом распределенной архитектуры, в которой функция ТД реализована в виде индивидуальных систем DAA, интегрированных в БВС или наземную станцию управления, централизованный сервис имеет как преимущества, так и недостатки. К числу основных преимуществ следует отнести следующие возможности:

• формирование исходно скоординированных рекомендаций, что делает не нужным реализацию протокола координации маневров;
• использование наземных средств наблюдения (включая возможность интеграции БАС в систему UTM), что уменьшает объем бортового оборудования.

Сервис ТД АЭРОСКРИПТ включает в себя трекер наблюдения (SDP — surveillance data processor), который принимает и объединяет данные от разных источников, включая стандартные протоколы ASTERIX системы наблюдения УВД (АЗН-В, МПСН, МВРЛ), специализированные первичные радиолокаторы (не являющимися источниками данных для УВД), системы сетевой идентификации (eID) — сервера, объединяющие данные, полученные от трекеров 3/4/5G+, протокол передачи полетных данных АЭРОСКРИПТ.

Данные с выхода SDP передаются пилотам БВС, формируя ситуационную картину вокруг собственного БВС, и логике ТД, которая проверяет данные на предмет соответствия требуемым характеристикам CNS и формирует оповещения и рекомендации пилоту. ЛТД АЭРОСКРИПТ обеспечен пакетом верификации, который формирует набор сценариев по заданным параметрам и прогоняет их через ЛТД в режиме быстрой симуляции (быстрее реального времени).

Первые положительные результаты были получены на модели в конце 2024 года. В настоящее время происходит создание прототипа СТД, идет оптимизация алгоритмов и верификация кода. Первый релиз прототипа СТД планируется выпустить в 2025 году. После отработки технологии на централизованном сервисе соответствующие компоненты могут быть перенесены на наземную станцию управления БВС или на борт БВС в составе системы DAA.

В дальнейшем должны быть разработаны отечественные стандарты на системы ТД для разных эксплуатационных окружений, включая требования, методики подтверждения соответствия, соответствующие инструменты автоматизации и правила сертификации.

Также должны быть разработаны методики валидации, включая создание пилотных зон (обеспеченных инфраструктурой связи, в которых возможна отработка реальных полетов БВС различных типов и пилотируемых ВС) для проведения летных испытаний, методик испытаний и инструментов анализа данных.

Внедрение технологии целесообразно выполнять поэтапно, начиная с экземпляров ВП более низких рисков. Соответствующие географические зоны могут выделяться как экземпляры нового класса ВП.

Возврат к списку