1

Първа научна конференция с международно участие“Единно европейско въздушно пространство – същност и

предизвикателства пред въздушния суверенитет и бизнеса”Сборник с научни доклади

11–12 октомври 2016 г., СофияВоенна академия “Г. С. Раковски”

First Scientific Conference with International Participation“Single European Airspace – Nature and Challenges for the Air

Sovereignty and Businesses”Conference Book with Scientific Reports

11–12th October 2016, SofiaNational Defense College “G. S. Rakovsky”

Фондация “Български криле” и “Еър груп 2000” ООДСофия, 2017

2 3

По случай 16 октомври – Празник на авиацията и Военновъздуш-ните сили (ВВС) на Република България на 11–12 октомври 2016 г.във Военна академия (ВА) “Г. С. Раковски”, София, се проведе науч-на конференция с международно участие на тема: “Единно европей-ско въздушно пространство – същност и предизвикателства предвъздушния суверенитет и бизнеса”. Съорганизатори на конферен-цията са ВВС на Република България, ВА “Г. С. Раковски” и фонда-ция “Български криле”.

Фондация “Български криле” е основана през 2015 г. като сдру-жение с нестопанска цел в обществена полза. Една от нейните цели еиницииране, организиране и подпомагане на дейности, свързани сразвитието и утвърждаването на българските ВВС и авиационнатаидея във всички нейни аспекти.

В настоящото издание са публикувани научните доклади от кон-ференцията, подготвени от участниците съгласно Приложение 1(“Общи изисквания за оформяне на докладите”) и получени на елек-тронната поща на фондация “Български криле” (bg_wingsb@abv.bg)в срок до 15 февруари 2017 г.

Съдържание

Откриване на нисколетящи самолети чрез GPS сигнали . . . . . 7

Detection of low-flying aircrafts by GPS signals

Проф. д.н. Гарванов И., проф. Кабакчиев Х.,доц. д-р Бехар В., докторант Владимирова М.,докторант Димитров К., Владимиров С.

Предложения за рационално прилагане на административнитепроцедури и дейности при управление на въздушнотопространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

Proposals for the rational application of administrativeprocedures and activities in airspace management

Д-р инж. Колибаров Д. С,. доц. д-р Начев А. Д.

Възможности за противодействие на безпилотнилетателни апарати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

Opportunities for counter unmanned aerial vehicles

Возможности для противодействия беспилотныхлетательных аппаратов

Проф. Георгиев Н. Л. дтн, гл. ас. д-р Пехливански В. И.,гл. ас. д-р Георгиев С. Й., гл. ас. д-р. Любенов Т. Г.

Рискове, безопасност и отговорности при експлоатиранена безпилотни летателни апарати . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Risks, safety and responsibilities in exploiting UAVs

Доц. д-р инж. Начев А. Д., д-р инж. Колибаров Д. С.

© Фондация “Български криле”, София, 2017© “Еър груп 2000” ООД, съиздател, София, 2017

ISBN 978-954-752-....................

4 5

Potential of Low Cost Smart Weapons Developed from UAV . 69

Потенциалът на нискостойностни умни оръжия, разработенина базата на БЛА

Подп. доц. д-р Атанасов М. А., асистент Митев С. Д.

Точност на навигационните комплекси при надлъжноешелониране . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

Точность навигационного комплекса при продольномэшелонировании

Accuracy of navigation complex in longitudinally separation

Подп. доц. д-р Атанасов М. А., асистент Митев С. Д.

Точност на навигационните комплекси при страничноешелониране . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

Точность навигационного комплекса при боковомэшелонировании

Accuracy of navigation complex in side separation

Подп. доц. д-р Атанасов М. А., асистент Митев С. Д.

Модел за изследване на организационния климат набезопасност на полетите в системата на Военновъздушните сили . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

A model of Air force flight safety organizational climate assessment

Модель исследования организационного климатабезопасности полетов системы Военновоздушных сил

Доц. д-р Карева Р., Танева Ж.

Единната система за управление на въздушнотопространство на Република България – факторза сигурността във въздухоплаването . . . . . . . . . . . . . . . . . 130

The Single Airspace Management System of the Republicof Bulgaria – a Factor for the Air Security

Докторант Добрева Е. И.

Усъвършенстване на оборудването за осигуряванена сигурност на гражданското въздухоплаване . . . . . . . . . . 147

Enhansing of security equipement for ensuring civil aviation security

Усовершенствование оборудования для обеспеченияавиационной безопасности

Докторант Стоянова Е.С.

Управление на риска от преумора, предизвикателствопред оперативната гъвкавост на авиокомпаниите . . . . . . . . 157

Fatigue risk management, operational flexibility challengeto the airlines

Докторант Папирска З. С.

Инициативата единно европейско небе и влиянието євърху способностите на ВВС да изпълняват мисиитеи задачите си в националното и в европейското въздушнопространство . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170

The implementation‚s reflect of the single european skyinitiative to the ability of the national military aviationto perform its tasks in the national and european airspace

Полковник, д-р Косьо Коев

6 7

Откриване на нисколетящи самолетичрез GPS сигнали

Detection of low-flying aircrafts by GPS signals

Mроф. д.н. Гарванов И.1, проф. Кабакчиев Х.2,доц. д-р Бехар В.3, докторант Владимирова М.3,

докторант Димитров К.1, Владимиров С.1

i.garvanov@unibit.bg, ckabakchiev@yahoo.com,vera.behar@yahoo.com, mariavladimirova@yahoo.com,

k.dimitrov@unibit.bg, stoyanvladimirov@yahoo.com

Резюме: Вторичното използване на безжичните технологии презпоследните години набира все по голяма популярност, като не-прекъснато се търсят и предлагат различни технологични решения иприложения. Използването на сигналите от GPS сателитите за нуж-дите на пасивните радарни системи е все по-популярно и се явяваалтернатива на съществуващите радарни системи. В настоящата ста-тия ще бъде разгледана възможността да се откриват нисколетящисамолети, използвайки съществуващите в пространството GPS сиг-нали. За решаването на тази задача ще бъде използван GPS прием-никq работещ в режим на радар с пряко разсейване на сигнала (FSR).Този тип радари се явява специален вид бистатични радари, при кои-то бистатичният ъгъл, образуван между предавател, цел и приемник,е близък до 180 градуса. Настоящето изследване цели да покажевъзможностите на GPS системата с пряко разсейване на сигналитеда открива нисколетящи самолети. Експерименталните резултати отGPS-FSR система са получени в близост до летище София.

1 Университет по библиотекознание и информационни технологии – Со-фия, България.2 Софийски университет “Св. Климент Охридски” – София, България.3 ИИКТ–БАН – София, България.

8 9

балната навигационна спътникова система за откриване на по-движни цели [4–11]. Въпреки това само малък брой изследва-ния са посветени за използването на GNSS сигналите за от-криване на въздушни цели. Този тип радарна система е многообещаваща, тъй като тя е в състояние да открива нисколетящицели. От друга страна, бистатичната GPS радарна система емного евтина, тя не изисква създаване на специални предава-тели.

Целта на настоящата работа е да се проучи възможносттаза използване на GPS сигналите за откриване на нисколетящиобекти.

2. Радарни конфигурации

Ако предавателят и приемникът са позиционирани в една ан-тена, тази конфигурация е известна като моностатична радарнасистема. За разлика от тази система, ако предавателят и прием-никът са разделени по разстояние съизмеримо с максималнияобхват на целта, системата е известна като бистатична радарнасистема [3].

Конфигурацията на радарните системи, monostatic и bistaticса илюстрирани на фигура 1 а) и б).

Радарът с пряко разсейване е специален вид бистатичен ра-дар [12], при който бистатичен ъгъл (между RT и RR) е около180° както е показано на фигура 1 в).

Този клас радарни системи имат редица ограничения: липсана разделителната способност по разстояние и работа в тясназона с малки ъгли на наблюдение. За тяхното функциониране сеизисква целта да бъде много близо до базовата линия между пре-давателя и приемника.

Abstract: The secondary application of wireless technology in recentyears gaining more and more popularity, constant seek and offer varietyof technological solutions and applications. Using signals from GPSsatellites as passive radar systems is increasingly popular and it‚s analternative to existing radar systems. In this paper will considerpossibility to detect low-flying aircraft using existing GPS signals. Forthis task will be used GPS receiver working in mode of radar operatingwith forward scattered signal (FSR). This type of radars are specialkind of radars where bistatic angle formed between the transmitter andreceiver is close to 180 degrees. This research mean to show thecapabilities of the GPS forward scattering signals to detect low-flyingaircraft. The experimental results of GPS-FSR system were obtainednear the airport.

1. Въведение

През последните години все по-често в практиката се използ-ват сигнали от различни предаватели като телевизионни, радио,wifi, GSM, GPS и други с цел решаване на задачи като създава-не на радиобариери, системи за управление на пътен трафик идруги [1–5, 14, 15]. За решаването на подобни задачи е необхо-дим подходящ приемник и подходяща сигнална обработка. Тезипасивни радарни системи имат редица предимства в сравнение скласическите радари. Първото предимство е в използването насъществуващите радиосигнали в пространството и оттам нама-ляване на радиочестотното замърсяване на ефира; второто е оп-ростеният дизайн; третото е в невъзможността радарната систе-ма да бъде открита от противникова радарна система при воен-но приложение; четвъртото е, че при използване на сигнали отсателитните системи тези системи могат да се приложат практи-чески по цялата повърхност на Земята.

В литературата се срещат множество теоретични и експе-риментални изследвания за възможността за използване на гло-

10 11

3. Радар с пряко разсейване на сигнала

Основното явление, използвано в радара с пряко разсейва-не, е дифракцията на сигнала. Явлението дифракция се появявакогато вълна срещне препятствие на пътя си, в резултат на кое-то тя променя праволинейното си разпространение в простран-ството (фигура 2). Районът зад препятствието, в който не стигавълната, се нарича сянка. Размерът на сянката зависи от разме-ра на препятствието и дължината на вълната на сигнала. Акодължината на вълната е много голяма, в сравнение с това пре-пятствие то почти няма зона на сянка.

От друга страна, радарните системи с пряко разсейване пред-лагат редица особености, които ги правят интересни за изслед-ване и използване. Най-привлекателната им черта е рязкото уве-личаване на ефективно отразяваща повърхност на обекта (ЕОП),когато той се намира близо до базовата линия “Предавател-При-емник”, което води до рязко усилване на приетия от обекта сиг-нал в сравнение с традиционните моностатични радари [13].

В радар с пряко разсейване на сигнала, приетият сигнал зави-си от площта на напречно сечение на целта и дължината на вълна-та и не зависи от повърхностната форма и покритието на целта,както е при традиционните радари. Ако целта има покритие с ра-диоабсорбиращ материал, то отразеният сигнал от целта е слаб затрадиционните радари, използващи отразения сигнал, не могат даоткрият целта [3, 13]. За разлика от тях радарите с пряко разсей-ване са много ефективни в този случай и са за предпочитане приоткриване на обекти, реализирани със стелт технология.

Фигура 1:а) моностатичен радар, б) бистатичен радар, в) радар с пряко разсейване

а) б)

в)

Фигура 2. Визуализация на дифракция от сферично тяло

Дифракцията на вълната се описва в литературата като: ди-фракция на Френел (когато обектът се намира в близост до при-емника) и дифракция на Фраунхофер (когато обектът се намирадалече от приемника). Параметърът F се използва, за да се опре-дели дали се намираме в едната, или в другата зона. Ако F << 1,то имаме дифракция на Фраунхофер [10], ако F � 1, то дифрак-цията е на Френел (фигура 3). Параметърът F се изчислява поформулата:

, (1)

където a е най-големият размер на тялото, Dr е разстоянието отприемника до тялото.

12 13

и фазите им. Зоната на Фраунхофер е известна и с наименовани-ето пряко разсейване на сигнала което е в основата на радара спряко разсейване.

При радар с пряко разсейване (зоната на Фраунхофер), ефек-тивно отразяващата повърхност (ЕОП) на целта може да се из-числи като:

, (3)

където h и l са височината и широчината на обекта.ЕОП зависи много силно от бистатичния ъгъл. Ако той е око-

ло 180°±2°, то ЕОП на целта се увеличава с около 20–45 dB [13].

Границата между двете зони (при F = 1) може да се изчисли суравнението:

. (2)

За пример на фигура 4 е показана дифракционната картинана светлина от диск при различни разстояния на екрана (прием-ника) от диска (тялото).

Фигура 3. Дифракция на Франел и Фраунхофер от отвор с размер а

Фигура 4. Дифракция на светлина от диск(1–4 – зона на Френзел, 5–11 – зона на Фраунхофер)

Фигура 5. Ефективно отразяваща повърхност на цел в зависимостот бистатичния ъгъл на FSR система

ЕОП при пряко разсейване се оценява, използвайки принци-пите на Babinet [12]. Според него равнината, в която се намираабсорбиращата повърхност (цел) с ограничени размери, можеда бъде заменено с безкрайно голяма равнина с абсорбиращаповърхност и с отвор, равен по размери с тези на целта. Явлени-ето, което се наблюдава в двата случая, е едно и също и се дължина дифракцията на сигнала, но докато в първия случай се полу-чава радиосянка, то във втория случай се получава директен сиг-нал. Моделът на разпространение на сигнала във втория случай

Зоната на Френел се характеризира със сянката на тялото,докато зоната на Фраунхофер е характерна с наличие на вълна,която е резултат от наслагване (суперпозиция) на отделните вто-рични вълни, пристигащи в тази зона с отчитане на амплитудите

14 15

Границата между двете зони за нашия случай при дължинана вълната � = 0,19 m – за C/A код и самолет с дължина около37 м (за Airbus 320-200) е от порядъка на 7,2 км. Това означава,че по време на проверения експеримент приемникът се намира врадиосянката на самолета.

5. Обработка на GPS сигнали

Блок-схемата на алгоритъма за откриване на обекти по ра-диосенките им е представена на фигура 7. Съгласно нея, редицапрограми в софтуерния GPS приемник осъществяват в блок“Acquisition” инициализация на сателитите и оценяване на па-раметрите на сигналите (честота и време закъснение на кода), ав блок “Code&Carrier” се извлича навигационното съобщениеIp. По-нататък сигналът Ip се трансформира както следва:

, където . (4)

След трансформация сигналът се филтрира в осредняващфилтър (MAF). Изходният сигнал на филтъра се формира като:

(5)

В CFAR откривателя, хипотезите H1 (има обект) и H0 (нямаобект) се проверяват с помощта на следното правило:

(6)

В решаващото правило y�f (l) са стойностите на филтрираниясигнал в рамките на обучаващия прозорец с дължина L, койтослужи за оценка на нивото на шума. Константата Tfa се опреде-ля в зависимост от вероятността за лъжлива тревога Pfa, която

е абсолютно същия като първия, но с обратна по знак освете-ност. На фигура 6 е показан принципът на Babinet за пряко раз-сейване в приемника, разположен на другата страна на целитепри � = 180°.

Фигура 6. Модел на Babinet за пряко разсейване при � = 180°

4. РЛС използваща GPS сигнали

Концепцията за изграждане на РЛС с използване на GPS сиг-нали за откриване на летящи цели се базира на принципите напрякото разсейване. В този случай предавателят и приемникътса разнесени в пространството, а целта прелита между тях. Ко-личеството на видимите спътници над хоризонта варира от 8 до11, което означава, че в GPS приемника ще постъпят сигнали отмножество спътници. Бистатичните ъгли, образувани между GPSприемника, целта и различните спътници, ще са различни по го-лемина. При бистатичен ъгъл � = 180° се получава конфигура-цията на прякото разсейване и в зависимост от разстоянието наприемника до целта е възможно да се получи усилване на при-етия сигнал от порядъка на 20–40 dB (зона на Фраунхофер). Принисколетящи цели разстоянието между приемника и целта е малкои се попада в зоната на радиосянката (зона на Френел).

16 17

Положението на GPS сателитите по време на експеримента eпоказано на фигура 10 и е получено от система Antaris AEK-4R(фигура 11). От фигура 10 се вижда, че получаваме сигнали отсателити 2, 3, 5, 6, 7, 9, 16, 23, 30. Мощността на сигнала отвидимите сателити след блок “Acquisition” е показана на фигура12. Сигналите от различните сателити достигат до приемника с

трябва да поддържа CFAR откривателя. В случай на Гаусов шумс нулево средно в Ip компонентата Tfa се пресмята като:

(7)

Фигура 7. Структура на алгоритъма за обработка на GPS сигналас цел откриване на обекти

6. Експериментални резултати

Провеждайки експериментални изследвания до летище Со-фия със сценарий, показан на фигура 8, е получен запис на GPSсигнали от система GNSS_SDR, показана на фигура 9, в моментна кацане на пътнически самолет. GPS антената е позиционира-на на 900 м от началото на пистата. Използваната антена е скоефициент на усилване с Gr = 0 dB. В момента на кацане, само-летът прелита над GPS приемника на около 80 m.

Фигура 8. Експериментален сценарий до летище София

Фигура 9. Система GNSS_SDR за запис на GPS сигнали

18 19

Фигура 10. Положение на сателитите по време на експеримента

Фигура 11. Система Antaris AEK-4R за наблюдение на положениетона GPS сателитите

Фигура 12. Мощността на сигналите от сателитите на изходана блок “Acquisition”

Фигура 13. Навигационно съобщение от GPS сателит № 7

20 21

около 10 dB и може да се използва от автоматичен алгоритъм заоткриване на прелитащия самолет. След инвертиране на сигналаот сателит 7 и обработката му с откривател, поддържащ посто-янна вероятност на лъжлива тревога, се открива нисколетящиясамолет, както е показано на фигура 15.

различна мощност, като най-мощни са сигналите от сателитите,намиращи се най-високо над хоризонта, а именно 7 и 9. Сигна-лите на изхода на блок “Code&Carrier” (навигационното съоб-щение) имат вид като на фигура 13. На тази фигура е показанасамо част от сигнала, приет от сателит 7, в момента на прелита-не на самолета над приемника. От фигура 13 се вижда, че в ре-зултат на пресичането на сигнала от самолета се е получила ра-диосянка (загуба на сигнал) в интервала около 17-тата секундаот записа.

След обработка на GPS сигналите от всички видими сатели-ти (2, 3, 5, 7, 9, 16, 23, 30) и тяхното интегриране с пълзящ про-зорец с време на интегриране 300 ms се получава резултатът нафигура 14.

Фигура 14. Интегриране на сигналите от GPS сателитите

От фигура 14 се вижда, че най-дълбока радиосянка се е по-лучила при сателит номер 7, който формира най-добре системас пряко разсейване. Радиосянката от сателит номер 7 има SNR

7. Заключение

От получените резултати се вижда, че с помощта на комерси-ален GPS приемник и антена без усилване на сигнала е възможнода се откриват нисколетящи цели. В режим на пряко разсейванена сигнала е възможно да бъдат открити и летящи цели на големивисочини благодарение на прякото разсейване на сигнала.

Благодарност: Изследването е проведено с подкрепата напроект ДФНИ-Т 02/3/2014.

Фигура 15. Инвертиран сигнал от сателит 7 и прагът на откривателя

22 23

9. Garvanov, I., Kabakchiev, Ch., Behar, V., Garvanova, M. “Targetdetection using a GPS Forward-Scattering Radar”, Тhe SecondInternational Conference “Engineering & Telecommunications”,Moscow-Dolgoprudny, Russia, 2015, pp. 29–33.

10. Garvanov I., C. Kabakchiev, V. Behar, P. Daskalov, Air target detectionwith a GPS forward-scattering radar, XVIII-th InternationalSymposium on Electrical Apparatus and Technologies SIELA 2016,Bourgas, Bulgaria.

11. Kabakchiev C., I. Garvanov, V. Behar, D. Kabakchieva, K. Kabakchiev,H. Rohling. K. Kulpa. A. Yarovoy, “Experimental Verification ofTarget Shadow Parameter Estimation in GPS FSR”, 17th InternationalRadar Symposium, Krakow, Poland, 2016.

12. Гарванов И., “Радар с пряко разсейване. Принципи и приложе-ния”, София, “За буквите – О писменех”, ISBN 978-954-2946-45-8, 117 с., 2012.

13. Ковалев Федор Николаевич, “Mетоды, модели и алгоритмы про-светной радиолокации”, Нижегородский госсударственный тех-нический университет им. Р. Е. Алексеева, Диссертация на соис-кание ученой степени доктора технических наук, Нижний Новго-род – 2015, с. 378.

14. Иванов, Вл., П. Стоянов. “Следене и управление на пътен градскитрафик”, Сборник с доклади от 23 международен симпозиум Уп-равление на енергийни, индустриални и екологични системи, Бан-кя, България, 2015, стр. 103–107.

15. Иванов, Вл. “Обобщен подход за проектиране на системи за уп-равление на кръстовища”, Сборник с доклади от 24 междунаро-ден симпозиум Управление на енергийни, индустриални и еколо-гични системи, Банкя, България, 2016, стр.101–104.

8. Литература

1. Glennon, E., A. Dempster, C. Rizos, “Feasibility of air target detectionusing GPS as a bistatic radar”, Journal of Global Positioning Systems,2006, vol. 5, № 1–2, pp. 119–126.

2. Suberviola, I., I. Mayordome, J. Mendizabal, “Experimental resultsof air target detection with GPS forward scattering radar, 2012, InIEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, vol. 9, № 1, Jan. 2012,pp.47–51.

3. Cherniakov, M., (ed.): “Bistatic Radar: Principles and Practice”, Wiley& Sons, 2007.

4. Kabakchiev, C., I. Garvanov, V. Behar, H. Rohling, A. Lazarov, “TheExperimental Study of Target FSR Shadows Detection using GPSsignals”, Third International Symposium on Radio Systems and SpacePlasma, Sofia, Bulgaria, 2013, pp. 64–73.

5. Kabakchie, Chr., I. Garvanov, V. Behar, P. Daskalov, H. Rohling,“Moving Target FSR Shadow Detection using GPS signals”, ThirdInternational Conference on Telecommunications and Remote Sensing(ICTRS 2014), Luxembourg, 2014, pp. 34–40.

6. Kabakchiev C., I. Garvanov, V. Behar, D. Kabakchieva, K. Kabakchiev,H. Rohling, K. Kulpa, A. Yarovoy, “Signal Processing of GPS RadioShadows Formed by Moving Targets”, Signal Processing SymposiumSPS-2015, Debe, Poland, 2015.

7. Kabakchiev C., I. Garvanov, V. Behar, D. Kabakchieva, K. Kabakchiev,H. Rohling. K. Kulpa. A. Yarovoy, “Detection and Classification ofObjects from Their Radio Shadows of GPS Signals”, InternationalRadar Symposium IRS-2015, Dresden, Germany, pp. 906–911.

8. Kabakchiev C., I. Garvanov, V. Behar, D. Kabakchieva, “TheExperimental Study of Moving Targets Radio Shadows using GPSSignals”, The Sixth International Conference on Sensor DeviceTechnologies and Applications, Venice, Italy, 2015, pp. 138–141.