cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2023-26-4-50-63caht-2222Research ArticleТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫTRANSPORTATION SYSTEMSМетод стробирования данных АЗН-В и его вероятностные моделиADS-B data gating technique and its probabilistic modelsРубцовЕ. А.RubtsovE. A.

Рубцов Евгений Андреевич, кандидат технических наук, специалист научно-образовательного центра воздушного транспорта

г. Москва

Evgeny A. Rubtsov, Candidate of Technical Sciences, Specialist of the Scientific and Educational Center of Air Transport

Moscow

rubtsov.rut.miit@gmail.comКудряковС. А.KudryakovS. A.

Кудряков Сергей Алексеевич, доктор технических наук, старший научный сотрудник, директор научно-образовательного центра воздушного транспорта

г. Москва

Sergey A. Kudryakov, Doctor of Technical Sciences, Senior Researcher, Director of the Scientific and Educational Center of Air Transport

Moscow

psi_center@mail.ruДалингерЯ. М.DalingerIa. M.

Далингер Яков Михайлович, кандидат технических наук, доцент, проректор

г. Москва

Iakov M. Dalinger, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Vice-Rector 

Moscow

iakovdalinger@gmail.comКалинцевА. С.KalintsevA. S.

Калинцев Андрей Сергеевич, инженер по радионавигации, радиолокации и связи, Архангельский центр ОВД филиала

г. Мезень

Andrey S. Kalintsev, Radio Navigation, Radio Location and Communication Engineer, Arkhangelsk Air Traffic Management Center, North-West Air Navigation Branch

Mezen

kas4job@gmail.comРоссийский университет транспорта (МИИТ)РоссияRussian University of Transport (MIIT)Russian FederationФГУП «Госкорпорация по организации воздушного движения», Архангельский центр ОВДРоссияFSUE “State Air Traffic Management Corporation of the Russian Federation”, Arkhangelsk Air Traffic Management CenterRussian Federation2023280820232645063Copyright © Рубцов Е.А., Кудряков С.А., Далингер Я.М., Калинцев А.С., 20232023Рубцов Е.А., Кудряков С.А., Далингер Я.М., Калинцев А.С.Rubtsov E.A., Kudryakov S.A., Dalinger I.M., Kalintsev A.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2222

В статье разработан метод стробирования, который позволяет оценить достоверность данных АЗН-В без необходимости проверки с помощью вторичного радиолокатора или многопозиционной системы наблюдения. Предложены вероятностные модели метода стробирования данных АЗН-В, а также алгоритм применения данных моделей. Проанализированы типовые ситуации, возникающие при определении местоположения воздушного судна с помощью систем АЗН-В, определяемые пороговыми значениями погрешностей навигации и пилотирования. Первая типовая ситуация предполагает невыход погрешностей пилотирования и навигации за пределы допуска, что позволяет сделать вывод о подтверждении достоверности данных АЗН-В. Вторая типовая ситуация предполагает выход погрешности пилотирования за пределы допуска при допустимой погрешности навигации, при этом диспетчер получает сообщение о корректной работе АЗН-В и о необходимости выдачи команды пилоту на корректировку полета. Третья типовая ситуация предполагает выход погрешности навигации за пределы допуска при допустимой или недопустимой погрешности пилотирования; в этом случае диспетчер получает сообщение о том, что достоверность данных АЗН-В не подтверждается и применять эти системы нельзя. Выполнено моделирование этих типовых ситуаций, при этом для реализации метода стробирования данных АЗН-В применялись распределения Рэлея и Райса. Результаты моделирования позволяют оценить требуемое количество накопленных данных АЗН-В для проведения достоверной оценки. Так, было установлено, что при выполнении оценки с применением распределения Рэлея достаточно накопления 15–20 измерений, что при передаче двух сообщений в секунду и при условии штатной работы оборудования АЗН-В потребует 8–10 с. При выполнении оценки с применением распределения Райса достаточно накопления 25–30 измерений, что потребует 13–20 с. Разработанный метод позволит применять системы АЗН-В на региональных аэродромах с низкой интенсивностью полетов как основное или единственное средство наблюдения. 

The article developed a gating technique that allows us to validate ADS-B data without the necessity to verify using the secondary surveillance radar or multilateration. Probabilistic models of the ADS-B data gating technique, as well as the algorithm for applying these models were proposed. Benchmark cases that occur when aircraft (A/C) positioning by ADS-B systems, determined by threshold values of navigation and pilot’s errors, were analyzed. The first benchmark case assumes not exceeding of navigation and pilot’s errors the bounds of the tolerance limits, which allows us to draw up a conclusion concerning the ADS-B data validation. The second one assumes exceeding of a pilot’s error the bounds of the tolerance limits under an allowable navigational error. Herewith, the air traffic controller (ATC) obtains a message about the proper ADS-B operation and the necessity to issue instructions to the pilot to correct a flight. The third benchmark case assumes exceeding of a navigation error the bounds of the tolerance limits under an allowable or not allowable pilot’s error. In this case, the ATC obtains a message about not valid ADS-B data and the incapability to use these systems. The simulation of the given benchmark cases was performed. In addition, the Rayleigh and Rice distributions were applied to implement the ADS-B data gating technique. The simulation results allow us to assess the required amount of accumulated ADS-B data for the evaluation. Thus, it was found that during the estimate based on the Rayleigh distribution, it is sufficient to accumulate 15–20 measurements, which, when transmitting 2 messages per second and under the condition of the normal ADS-B equipment operation, will take 8–10 s. During the estimate, using the Rice distribution, an accumulation of 25–30 measurements is sufficient, which will take 13–20 s. The developed method will allow the use of ADS-B systems at regional aerodromes with the low intensity of air traffic as the primary or sole surveillance means. 

безопасность полетовАЗН-Встробраспределение Рэлеяраспределение Райсаоценка параметров распределенияпогрешность навигационных измеренийпогрешности пилотированияflight safetyADS-BgateRayleigh distributionRice distributiondistribution parameter estimateerror of navigational measurementspilot’s errorsReferencesKožović D.V. Air traffic modernization and control: ADS-B system implementation update 2022: a review / D.V. Kožović, D.Ž. Đurđević, M.R. Dinulović, S. Milić, B.P. Rašuo // FME Transactions. 2023. Vol. 51, no. 1. Pp. 117–130. DOI: 10.5937/fme2301117KKožović, D.V., Đurđević, D.Ž., Dinulović, M.R., Milić, S., Rašuo, B.P. (2023). Air traffic modernization and control: ADS-B system implementation update 2022: a review. FME Transactions, vol. 51, no. 1, pp. 117–130. DOI: 10.5937/fme2301117KRozel M. Construction of a radar crosssection database using ADS-B data from the OpenSky network / M. Rozel, N. Gonçalves, A. Reygrobellet, P. Bruneel // Engineering Proceedings. The Netherlands, Delft, 10–11 November 2022. Vol. 28 (1), no. 4. Pp. 1–10. DOI: 10.3390/engproc2022028004Rozel, M., Gonçalves, N., Reygrobellet, A., Bruneel, P. (2022). Construction of a radar cross-section database using ADS-B data from the OpenSky network. In: Engineering Proceedings, vol. 28 (1), no. 4, pp. 1–10. DOI: 10.3390/engproc2022028004Mba Andeme J.M.N., Liu Q., Hadi A. FAA Transition away from radar and towards ADS-B aircraft communication-based on accuracy // Data Mining and Big Data. DMBD 2021. Communications in Computer and Information Science. 2021. Vol. 1454. Pp. 358–374. DOI: 10.1007/978-981-16-7502-7_35Mba Andeme, J.M.N., Liu, Q., Hadi, A. (2021). FAA Transition Away from Radar and Towards ADS-B Aircraft Communication-Based on Accuracy. Data Mining and Big Data. DMBD 2021. Communications in Computer and Information Science, vol. 1454, pp. 358–374. DOI: 10.1007/978-981-16-75027_35Kalintsev A., Rubtsov E., Povarenkin N. Application of ADS-B for providing surveillance at civil aviation regional aerodromes // Proceedings of 10th International Conference on Recent Advances in Civil Aviation. Lecture Notes in Mechanical Engineering, in O.A. Gorbachev, X. Gao, B. Li (eds). Springer, Singapore, 2023. Pp. 371–382. DOI: 10.1007/978981-19-3788-0_33Kalintsev, A., Rubtsov, E., Povarenkin, N. (2023). Application of ADS-B for providing surveillance at civil aviation regional aerodromes. In: Proceedings of 10th International Conference on Recent Advances in Civil Aviation. Lecture Notes in Mechanical Engineering, in Gorbachev, O.A., Gao, X., Li, B. (eds). Springer, Singapore, pp. 371–382. DOI: 10.1007/978-981-19-3788-0_33Левин Д.В., Паршуткин А.В., Тимошенко А.В. Достоверность селекции целей в сети разнесенных радиолокационных станций при совместной обработке радиолокационной информации в условиях ретранслированных помех // Информационно-управляющие системы. 2022. № 3 (118). С. 55–66. DOI: 10.31799/1684-8853-2022-3-55-66Levin, D.V., Parshutkin, A.V., Timoshenko, A.V. (2022). Reliability of target selection in the network of geographically separated radar stations in joint processing of radar information in the conditions of relayed interference. Information and Control Systems, no. 3 (118), pp. 55–66. DOI: 10.31799/1684-8853-2022-3-55-66 (in Russian)Zhou H. Feature fusion based on Bayesian decision theory for radar deception jamming recognition / H. Zhou, C. Dong, R. Wu, X. Xu, Z. Guo [Электронный ресурс] // IEEE Access. 2021. No. 9. Pp. 16296–16304. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3052506 (дата обращения: 08.12.2022).Zhou, H., Dong, C., Wu, R., Xu, X., Guo, Z. (2021). Feature fusion based on Bayesian decision theory for radar deception jamming recognition. IEEE Access, no. 9, pp. 16296– 16304. DOI: 10.1109/ACCESS.2021.3052506 (accessed: 08.12.2022).Ахмедов Р.М., Бибутов А.А., Васильев А.В. и др. Автоматизированные системы управления воздушным движением: новые информационные технологии в авиации: учеб. пособие. СПб.: Политехника, 2004. 446 с.Akhmedov, R.M., Bibutov, A.A., Vasiliev, A.V. et al. (2004). Automated air traffic control systems: New information technologies in aviation: Tutorial. St. Petersburg: Politekhnika, 446 p. (in Russian)Богатюк А.С., Витушкин В.В., Затучный Д.А. Алгоритмы выявления различных навигационных погрешностей во время полета воздушного судна на основе комплексного использования информации // Труды Международного симпозиума «Надежность и качество». 2018. Т. 1. С. 287–290.Bogatyuk, A.S., Vitushkin, V.V., Zatuchnyy, D.A. (2018). Algorithms for identifying various navigation errors during an aircraft flight based on the integrated use of information. Transactions of the International Symposium on Reliability and Quality, vol. 1, pp. 287–290. (in Russian)Калинцев А.С., Рубцов Е.А., Плясовских А.П. Подтверждение данных АЗН-В в аэродромной зоне методом стробирования // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2021. Т. 15, № 7. С. 39–49. DOI: 10.36724/2072-8735-2021-15-7-39-49Kalintsev, A.S., Rubtsov, Е.А., Plyasovskih, А.Р. (2021). Confirmation of ADS-B data in the aerodrome traffic zone by gating method. T-Comm, vol. 15, no.7, pp. 39–49. DOI: 10.36724/2072-8735-2021-15-7-39-49 (in Russian)Вентцель Е.С., Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. 2-е изд., стер. М.: Высшая школа, 2000. 480 с.Ventzel, E.S., Ovcharov, L.A. (2000). Probability theory and its engineering applications. 2nd ed. ster. Moscow: Vyshaya shkola, 480 p. (in Russian)Шерстнева А.А. Оценка параметров одномерного и двумерного распределения случайных величин // Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2020. № 5 (121). С. 63–67. DOI: 10.34680/2076-8052.2020.5(121).63-67Sherstneva, A.A. (2020). Parameters estimation of one-dimension and two-dimension distribution of random variables. Vestnik NOVSU, no. 5 (121), pp. 63–67. DOI: 10.34680/2076-8052.2020.5(121).63-67 (in Russian)Облакова Т.В. Математические и инженерные примеры законов распределений случайных величин в ЦОС Nomotex / Т.В. Облакова, К.М. Зубарев, А.А. Сальникова, Д.С. Шинаков [Электронный ресурс] // Дневник науки. 2022. № 12 (72). ID: 58. DOI: 10.51691/2541-8327_2022_12_29 (дата обращения: 08.12.2022).Oblakova, T.V., Zubarev, K.M., Salnikova, A.A., Shinakov, D.S. (2022). Mathematical and engineering examples of random variable distribution law in DLS Nomotex. Dnevnik Nauki, no. 12 (72), ID: 58. DOI: 10.51691/2541-8327_2022_12_29 (in Russian)Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем: учеб. пособие для вузов. М.: Радиотехника, 2003. 400 с.Perov, A.I. (2003). Statistical theory of radio engineering systems: Tutorial for Universities. Moscow: Radiotechnika, 400 p. (in Russian)Пицык В.В., Суховерхова Л.В., Дмитриев С.А. Модель оценки точности управления робототехническим комплексом с использованием усеченного справа распределения Рэлея // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. 2020. № 1. С. 54–59. DOI: 10.25257/FE.2020.1.54-59Pitsyk, V.V., Sukhoverkhova, L.V., Dmitriev, S.A. (2020). Model for assessing the accuracy of controlling the robotic complex using Rayleigh's right truncated distribution. Fire and Emergencies: Prevention, Elimination, no. 1, pp. 54–59. DOI: 10.25257/FE.2020.1.5459 (in Russian)Пахотин В.А. Раздельное обнаружение сигналов в радиолокации / В.А. Пахотин, К.В. Власова, М.В. Богач, В. Бессонов // Цифровая обработка сигналов и ее применение (DSPA-2022): сборник трудов 24-й Международной конференции. Москва, 30 марта – 01 апреля 2022 г. М.: РНТОРЭС им. А.С. Попова, 2022. Т. XXIV. С. 192–196.Pakhotin, V.A., Vlasova, K.V., Bogach, M.V., Bessonov, V.A. (2022). Separate detection of signals in radiolocation. Digital signal processing and its applications (DASPA-2022). Moscow: RNTORES imeni A.S. Popova, vol. XXIV, pp. 192–196. (in Russian)Яковлева Т.В. Свойство устойчивости статистического распределения Райса: теория и применение в задачах измерения фазового сдвига сигналов // Компьютерные исследования и моделирование. 2020. Т. 12, № 3. С. 475–485. DOI: 10.20537/2076-76332020-12-3-475-485Yakovleva, T.V. (2020). Stable character of the rice statistical distribution: the theory and application in the tasks of the signals’ phase shift measuring. Computer research and modeling, vol. 12, no. 3, pp. 475–485. DOI: 10.20537/2076-7633-2020-12-3-475-485 (in Russian)Das D., Subadar R. Performance analysis of QAM for L-MRC receiver with estimation error over independent Hoyt fading channels // AEU-International Journal of Electronics and Communications. 2019. Vol. 107. Pp. 15–20. DOI: 10.1016/j.aeue.2019.05.005Das, D., Subadar, R. (2019). Performance analysis of QAM for L-MRC receiver with estimation error over independent Hoyt fading channels. AEU-International Journal of Electronics and Communications, vol. 107, pp. 15–20. DOI: 10.1016/j.aeue.2019.05.005Jia H. Ergodic capacity analysis for FSO communications with UAV-equipped IRS in the presence of pointing error / H. Jia, J. Zhong, M.N. Janardhanan, G. Chen // 2020 IEEE 20th International Conference on Communication Technology (ICCT), 2020. Pp. 949–954. DOI: 10.1109/ICCT50939.2020.9295740Jia, H., Zhong, J., Janardhanan, M.N., Chen, G. (2020). Ergodic capacity analysis for FSO communications with UAV-equipped IRS in the presence of pointing error. In: 2020 IEEE 20th International Conference on Communication Technology (ICCT), pp. 949–954. DOI: 10.1109/ICCT50939.2020.9295740Simon M.K., Alouini M.-S. Digital communication over fading channels. A unified approach to performance analysis. John Wiley & Sons, 2000. 546 p.Simon, M.K., Alouini, M.-S. (2000). Digital communication over fading channels. A unified approach to performance analysis. John Wiley & Sons, 546 p.Beckmann P. Statistical distribution of the amplitude and phase of multiply scattered field // Journal of Research of the National Bureau of Standards. 1972. Vol. 66D, no. 3. Pp. 231–240.Beckmann, P. (1972). Statistical distribution of the amplitude and phase of multiply scattered field. Journal of Research of the National Bureau of Standards, vol. 66D, no. 3, pp. 231–240.Al-Hmood H., Al-Raweshidy H. Performance analysis of physical-layer security over fluctuating Beckmann fading channels [Электронный ресурс] // IEEE Access. 2019. Vol. 7. Pp. 119541–119556. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2937631 (дата обращения: 08.12.2022).Al-Hmood, H., Al-Raweshidy, H. (2019). Performance analysis of physical-layer security over fluctuating Beckmann fading channels. IEEE Access, vol. 7, pp. 119541–119556. DOI: 10.1109/ACCESS.2019.2937631 (accessed: 08.12.2022).Sawicki D. Microfacet distribution function: To change or not to change, that is the question // Proceedings of the16th International Conference on Computer Graphics Theory and Applications (VISIGRAPP 2021), 2021. Vol. 1. Pp. 209–220. DOI: 10.5220/0010252702090220Sawicki, D. (2021). Microfacet distribution function: To change or not to change, that is the question. In: Proceedings of the 16th International Conference on Computer Graphics Theory and Applications (VISIGRAPP 2021), vol. 1, pp. 209–220. DOI: 10.5220/0010252702090220Shawkat S.B. Fundamental capacity analysis for identically independently distributed Nakagami-Q Fading / S.B. Shawkat, Md. MazidUl-Haque, Md. Sohidul, B. Sarker // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2020. Vol. 11, no. 9. Pp. 659–663. DOI: 10.14569/ijacsa.2020.0110978Shawkat, S.B., Md. Mazid-Ul-Haque, Md. Sohidul, Sarker, B. (2020). Fundamental capacity analysis for identically independently distributed Nakagami-Q Fading. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, vol. 11, no. 9, pp. 659–663. DOI: 10.14569/ijacsa.2020.0110978Md. Mazid-Ul-Haque, Md. Islam S. Data rate limit in low and high SNR regime for Nakagami-Q Fading Wireless Channel // International Journal of Advanced Computer Science and Applications. 2020. Vol. 11, no. 7. Pp.636–641. DOI: 10.14569/IJACSA.2020.0110776Md. Mazid-Ul-Haque, Md. Islam, S. (2020). Data rate limit in low and high SNR regime for Nakagami-Q Fading Wireless Channel. International Journal of Advanced Computer Science and Applications, vol. 11, no. 7, pp. 636–641. DOI: 10.14569/IJACSA.2020.0110776

The authors declare that there are no conflicts of interest present.