Тарасов Д. С. 16. Основные задачи теории кодирования и пути их решения

1.

Основные задачи теории
кодирования и пути их
решения
Авиационная электросвязь — дисциплина, обеспечивающая безопасность полётов через
надёжную передачу информации. Теория кодирования лежит в основе всех современных
авиационных протоколов: от голосовой связи VHF до цифровых каналов CPDLC, ADS-B и
спутниковой связи Inmarsat.
Предмет: Авиационная электросвязь
Группа: ОЛР-23-01-ЗФО
Выполнил студент: Тарасов Д. С.
Проверил: доцент к. п. н. Федоров А. В.

2.

Что такое теория кодирования в авиации?
Теория кодирования — раздел математики и электросвязи, изучающий методы представления, передачи и защиты информации в каналах связи. В авиации
она решает не абстрактные, а строго прикладные задачи: как обеспечить безошибочную передачу команд управления, навигационных данных и голосовых
сообщений в условиях реальных помех, замираний сигнала и ограниченного спектра частот.
Исторический контекст
Три ключевых направления
Классическая теория кодирования была заложена Клодом Шенноном в
Кодирование источника — сжатие информации (речь, данные) для
1948 году. Его теорема о кодировании для канала с шумом доказала
эффективного использования полосы частот. Пример: алгоритмы
принципиальную возможность передачи информации со сколь угодно
сжатия в цифровых УКВ-радиостанциях стандарта AES.
малой вероятностью ошибки при условии использования корректирующих
Кодирование канала — введение избыточности для обнаружения и
кодов. Для авиации это стало фундаментом всех современных систем
исправления ошибок при передаче. Пример: CRC, свёрточные коды,
связи.
коды BCH в ACARS и VDL Mode 2.
С 1960-х годов коды Хэмминга, Боуза–Чоудхури–Хоквингема (BCH) и
Рида–Соломона нашли применение в авиационных системах. Сегодня
стандарты ИКАО (Приложение 10) регламентируют конкретные кодовые
Криптографическое кодирование — защита целостности и
аутентичности данных. Пример: проверка целостности сообщений
ADS-B, защита CPDLC-сессий.
схемы для каждого типа авиационной связи.
Все три направления тесно взаимосвязаны и реализуются в современных
авиационных протоколах одновременно, обеспечивая комплексную защиту
информационного потока.

3.

Задача 1: Помехоустойчивость в радиоканалах «земля–
воздух»
Авиационные каналы связи работают в условиях интенсивных помех: атмосферные разряды, промышленные наводки, интерференция от наземных передатчиков, а в
последнее время — влияние сетей 5G в смежных частотных диапазонах. Помехоустойчивое кодирование позволяет обнаруживать и исправлять ошибки без повторной
передачи.
Свёрточные коды в VDL Mode 2
Защита от интерференции 5G
VDL Mode 2 (VHF Data Link) использует
Каскадные коды для спутниковых
каналов
свёрточные коды со скоростью кодирования 1/2
В системах Inmarsat SwiftBroadband и Iridium
конференции, 2024) посвящены адаптивным
или 2/3 в сочетании с перемежением.
применяется каскадное кодирование: внешний
схемам кодирования для VDL Mode 2 в условиях
Декодирование осуществляется алгоритмом
код Рида–Соломона (RS) исправляет пакетные
помех от сетей 5G в диапазоне 1090–1100 МГц.
Витерби. Это позволяет корректировать пакеты
ошибки, внутренний свёрточный код —
Предлагаются схемы с динамическим выбором
ошибок, характерные для замираний в УКВ-
случайные. Такая двухуровневая структура
скорости кодирования и частотным
диапазоне. Стандарт регламентирован ICAO
обеспечивает BER < 10⁻⁶ даже при отношении
разнесением.
Annex 10, том III.
сигнал/шум ниже 3 дБ. Исследования
Современные исследования (транспортные
опубликованы в журнале «Радиотехника», 2023.
Источники: ICAO Annex 10, том III; «Научный вестник МГТУ ГА», 2022–2024; «Алгоритмы помехоустойчивого кодирования для VDL Mode 2 в условиях
интерференции от 5G», 2024.

4.

Задача 2: Обеспечение целостности данных
Целостность данных — критическое требование для авиационных систем. Ошибка в навигационных координатах, команде управления или
метеосообщении может привести к катастрофическим последствиям. Циклические коды контроля (CRC) являются основным инструментом обнаружения
ошибок в авиационных протоколах.
CRC-24 в системе ADS-B
Коды BCH в ACARS
Система автоматического зависимого наблюдения (ADS-B) передаёт
Система ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System)
сообщения о местоположении воздушного судна каждые 0,5–1 секунду.
использует код BCH(39,21) — код Боуза–Чоудхури–Хоквингема,
Стандарт RTCA DO-260C (аналог ICAO Doc 9871) предписывает
способный исправлять до 3 ошибок в блоке из 39 бит. Стандарты ARINC
использование CRC-24 для защиты каждого сообщения. Полином CRC-24
618 и 619 детально описывают структуру протокола:
обеспечивает обнаружение:
Всех одиночных и двойных ошибок
Блок данных: 21 информационный бит
Всех ошибок нечётной кратности
Контрольные биты: 18 бит
Пакетов ошибок длиной до 24 бит
Минимальное кодовое расстояние: 7
Большинства более длинных пакетных ошибок
Вероятность необнаруженной ошибки: < 10⁻⁷
При обнаружении ошибки сообщение отбрасывается, а система наземной
ACARS передаёт текстовые сообщения, метеоданные, отчёты о
обработки запрашивает повторную передачу или использует данные от
состоянии систем ВС. Надёжность доставки критична для диспетчерского
соседних приёмников.
управления.

5.

Цифровые протоколы обмена данными
Современная авиация перешла от аналоговой голосовой связи к цифровым протоколам обмена данными. Каждый из них применяет специфические схемы
кодирования, оптимизированные под свои задачи и условия работы.
CPDLC
ADS-B
ACARS
VDL Mode 2
Controller-Pilot Data Link
Automatic Dependent Surveillance-
Aircraft Communications Addressing
VHF Data Link Mode 2 —
Communications (Doc 9694, стандарт
Broadcast. Сообщения передаются
and Reporting System. Протокол
высокоскоростной цифровой канал в
FANS 1/A). Текстовые команды УВД
на частоте 1090 МГц с модуляцией
ARINC 618/619. Код BCH(39,21)
УКВ-диапазоне. Использует
передаются в кодированном виде.
PPM. Кодирование включает CRC-24
обеспечивает исправление ошибок
свёрточные коды, перемежение и
Используется кодирование на
и проверку целостности. Doc 9871
при передаче через УКВ-каналы и
модуляцию D8PSK. Пропускная
основе ASN.1 с защитой CRC.
ИКАО регламентирует структуру
спутниковые линки. Применяется
способность до 31,5 кбит/с.
Снижает нагрузку на голосовой
сообщений и коды защиты.
для отчётов о состоянии ВС,
Регламентируется ICAO Annex 10,
метеоданных, запросов на стоянку.
том III. Основа для будущих систем
канал и исключает ошибки
восприятия на слух.
связи ATM.

6.

Спутниковая связь: Inmarsat и Iridium
Спутниковая связь обеспечивает глобальное покрытие, включая океанские и полярные регионы, где УКВ-связь невозможна. Однако спутниковые каналы
характеризуются большими задержками, значительными потерями сигнала и высокой стоимостью полосы. Кодирование в таких системах должно быть особенно
эффективным.
Inmarsat SwiftBroadband
Система Iridium
Система Inmarsat использует каскадное кодирование: внешний код Рида–
Низкоорбитальная группировка Iridium (66 спутников) обеспечивает меньшую
Соломона RS(255,239) в сочетании с внутренним свёрточным кодом (скорость
задержку по сравнению с геостационарными системами. Применяется турбо-
1/2, длина ограничения 7). Дополнительно применяется перемежение по блокам
кодирование с итеративным декодированием. Кодирование в Iridium Next
для борьбы с замираниями. Исследования 2023 года (журнал «Радиотехника»)
включает LDPC-коды (Low-Density Parity-Check) для каналов данных высокой
показывают, что такая схема обеспечивает BER < 10⁻⁶ при C/N₀ = 45 дБ·Гц.
скорости.
Сравнение подходов
Для авиационного сегмента Inmarsat разработан стандарт SwiftBroadband-Safety
(SB-S), поддерживающий приоритетные каналы для критически важных
Параметр
Inmarsat
Iridium
Орбита
ГСО (35 786 км)
НОО (780 км)
Задержка
~250 мс
~30 мс
Кодирование
RS + свёрточный
Турбо / LDPC
Покрытие
Глобальное (кроме
Глобальное
сообщений УВД.
полюсов)

7.

Кодирование в системах навигации и опознавания
Навигационные системы и системы опознавания воздушных судов предъявляют особые требования к кодированию: данные должны быть не только защищены от
ошибок, но и иметь чёткую структуру для быстрой обработки бортовыми и наземными системами в реальном времени.
ГЛОНАСС / GPS
Режим S (Mode S)
Навигационные спутники передают эфемериды и поправки времени с
Вторичный радиолокатор Режим S использует 24-битный адрес ВС (ICAO 24-
использованием кодов с прямой коррекцией ошибок. ГЛОНАСС применяет
bit address) и передаёт данные с защитой CRC. Формат сообщений включает
кодирование с избыточностью, позволяющее принимать сигнал при C/N₀ > 30
преамбулу, поле данных и контрольную сумму. Это основа для интеграции с
дБ·Гц. Российские материалы компании «Космическая связь» описывают
ADS-B и TCAS.
кодирование в авиационном сегменте ГЛОНАСС.
Системы «Орлан-С» и «Рубеж»
TCAS II
Российские авиационные системы связи «Орлан-С» и «Рубеж» применяют
Система предупреждения столкновений TCAS II использует кодирование
собственные схемы помехоустойчивого кодирования, оптимизированные для
запросов и ответов в Режиме S. Сообщения о разрешённых манёврах
работы в условиях РЭБ и интенсивных помех. Подробное описание — в
(Resolution Advisory) передаются с высокой степенью защиты от ошибок, так
конспектах лекций Университета ГА (кафедра ТЭР).
как ошибка может привести к опасному манёвру.
Источники: МГТУ ГА — «Радиосистемы передачи информации»; СПбГУГА — «Системы передачи данных в гражданской авиации»; материалы компании
«Космическая связь» (Россия).

8.

Сводная таблица: задачи кодирования и авиационные решения
Ниже представлена систематизация основных задач теории кодирования и соответствующих им решений в авиационной электросвязи с указанием нормативных источников.
Задача теории кодирования
Путь решения в авиации
Система / протокол
Нормативный источник
Помехоустойчивость в канале с
Свёрточные коды + CRC, алгоритм Витерби
VDL Mode 2
ICAO Annex 10, том III
Обнаружение ошибок в пакетах
Циклические коды CRC-24
ADS-B (1090 ES)
RTCA DO-260C, Doc 9871
Исправление ошибок в текстовых
Коды BCH(39,21)
ACARS
ARINC 618 / 619
Защита спутниковых каналов
Каскадные коды: RS + свёрточные
Inmarsat SwiftBroadband
«Радиотехника», 2023
Сжатие речевой информации
Цифровое кодирование источника (AES)
Цифровые УКВ-радиостанции
ICAO Annex 10, том I
Целостность навигационных данных
CRC + проверка формата
ГЛОНАСС / GPS, Режим S
ICAO Doc 9871
Защита от пакетных ошибок
Турбо-коды, LDPC
Iridium Next
Iridium Standards
Аутентификация команд УВД
Кодирование ASN.1 + CRC
CPDLC (FANS 1/A)
ICAO Doc 9694
шумами
сообщениях
Данная таблица демонстрирует, что теория кодирования в авиации — не абстрактная дисциплина, а набор конкретных инженерных решений, каждое из которых регламентировано международными
или национальными стандартами и проверено многолетней эксплуатацией.

9.

Нормативная база и источники
Все рассмотренные схемы кодирования закреплены в международных стандартах ИКАО, национальных стандартах (ARINC, RTCA) и научных публикациях. Знание
нормативной базы — обязательное требование для специалиста по авиационной электросвязи.
Стандарты ИКАО
Учебные пособия
Приложение 10, том I — Радионавигационные средства, кодирование
радиосигналов
«Авиационная электросвязь и радиотехническое обеспечение полётов» —
МГТУ ГА
Приложение 10, том III — Системы связи: VDL Mode 2/3/4, ACARS,
«Системы передачи данных в гражданской авиации» — СПбГУГА
структура сообщений
«Радиосистемы передачи информации» — Университет ГА, кафедра ТЭР
Doc 9871 — Руководство по ADS-B: коды защиты и проверки целостности
«Помехоустойчивое кодирование в радиолиниях передачи информации ЛА»
Doc 9694 — Руководство по CPDLC: протоколы кодирования FANS 1/A
— А.П. Герасименко, МАИ, 2019
Методичка СПбГУГА: «Кодирование информации в системах авиационной
электросвязи»
Отраслевые стандарты
RTCA DO-260C — стандарт ADS-B (CRC-24, структура сообщений)
ARINC 618 / 619 — кодирование ACARS (код BCH(39,21))
Eurocontrol — технические отчёты по VDL Mode 2
Научные публикации
«Повышение помехоустойчивости авиационных каналов связи на основе
каскадных кодов» — «Научный вестник МГТУ ГА», 2022–2024
«Кодирование в системах ACARS: методы и перспективы» — Aviation
Electronics Journal, 2023
«Проблемы кодирования в авиационной спутниковой связи Inmarsat» —
«Радиотехника», 2023

10.

Выводы и перспективы
Теория кодирования является фундаментом современной авиационной электросвязи. Без эффективных кодовых схем невозможна безопасная эксплуатация
воздушных судов в условиях растущей загрузки воздушного пространства и усложнения электромагнитной обстановки.
1
Кодирование — обязательный элемент безопасности
2
Разные задачи — разные коды
Не существует универсального кода для авиации. CRC применяется для
Все современные авиационные протоколы (ADS-B, CPDLC, ACARS, VDL
обнаружения ошибок, BCH — для исправления в ACARS, свёрточные коды
Mode 2) используют помехоустойчивое кодирование. Это не опция, а
— для VDL Mode 2, каскадные схемы — для спутниковых каналов. Выбор
требование ИКАО, закреплённое в Приложении 10.
кода определяется характеристиками канала и требованиями к
надёжности.
3
Перспективы: LDPC и адаптивное кодирование
4
Интеграция с системами УВД нового поколения
Будущие системы (VDL Mode 4, ATN/IPS) переходят на LDPC-коды и турбо-
Концепция System Wide Information Management (SWIM) ИКАО
коды с итеративным декодированием. Адаптивные схемы кодирования,
предполагает единое информационное пространство УВД. Надёжное
учитывающие текущее состояние канала и помеховую обстановку (включая
кодирование данных — основа доверия к информации в SWIM и ключевое
влияние 5G), — направление активных исследований.
условие внедрения траекторно-ориентированного управления (TBO).
«Цель теории кодирования — сделать передачу информации надёжной в ненадёжном канале.» — переосмысление принципа Клода Шеннона применительно к
авиационной электросвязи