Исследование точности работы навигационной системы при автоматической посадке гражданского самолета на необорудованный аэродром тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Хюн Ен Мок

• Хюн Ен Мок
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Хюн Ен Мок

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Автоматическая посадка самолета.

1.4.1 Процесс автоматической посадки самолета.

1.4.2 Требования к точности автоматической посадки.

1.2 Радиомаячные системы посадки летательного аппарата.

1.3 Выбор структуры навигационной системы для автоматической посадки.

1.4 Программа исследования

ГЛАВА И. ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

2.1 Математическая модель полета летательного аппарата.

2.2 Система наблюдения летательного аппарата.

2.2.1 Структура и модель системы наблюдения.

2.2.2 Модель системы наблюдения.

2.3 Математические модели подсистем НС.

2.3.1 Модели инерциальной навигационной системы (ИНС) и радиовысотомера.

2.3.2 Модель глобальной спутниковой навигационной системы.

2.4 Алгоритм оценки координат и ориентации ЛА.

ГЛАВА III. АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.1 Структура общего алгоритма наблюдения

3.2 Оценка точности определения положения ЛА по изображениям подстилающей поверхности.

3.3 Расчет размеров ЭИ.

3.3.1 Аналитический расчет размеров изображений.

3.3.2 Моделирование процесса сравнения изображений.

3.4 Оценка работоспособности алгоритмов обработки изображений.

3.4.1 Проверка работоспособности алгоритмов обработки изображений.

3.4.2 Результаты эксперимента и их анализ.

ГЛАВА IV. ОЦЕНКА РАБОТОСПОСОБНОСТИ

НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ.

4.1 Моделирование процесса посадки J1A.

4.2 Варианты моделирования и исходные данные.

4.3 Результаты моделирования

4.4 Определение условий реализации автоматической посадки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование точности работы навигационной системы при автоматической посадке гражданского самолета на необорудованный аэродром»

Посадка самолета является одной из наиболее важных и сложных задач самолетовождения. Из-за сложности и опасности этого этапа, в процессе захода на посадку происходит около половины всех авиакатастроф. Быстротечность режимов посадки и неизбежный дефицит времени на принятие решения повышает нервно-психологическую нагрузку летчика, что в ряде случаев приводит к появлению ошибок летчика и снижению уровня безопасности полета. Поэтому даже при нормальных метеоусловиях выполнять успешную посадку может только опытный летчик. Ситуация становится еще более опасной, если совершается вынужденная посадка на какую-либо площадку или аэродром, необорудованный радиомаячными системами. Подобные случаи характерны для самолетов, так называемой малой авиации.

Данная ситуация обусловливает необходимость использования средств автоматизации. Реализация режима автоматической посадки самолета позволит не только обеспечить выполнение полетов независимо от погодных условий, но и повысить степень безопасности полета, поскольку автоматизация уменьшает вероятность возникновения субъективных ошибок летчика во время принятия решения и выполнения управляющих действий [1]. Следует также отметить важность реализации режима автоматической посадки в аварийных ситуациях, когда, например, пилот не в состоянии управлять самолетом.

Очевидно, что реализация режима автоматической посадки будет допустима только в случае, когда система автоматической посадки удовлетворяет требуемому уровню безотказности. Таким образом, важнейшим вопросом разработки систем автоматической посадки является обеспечение безопасности посадки, которая определяется точностью навигация и управления самолетом.

Создание навигационных систем самолета для обеспечения автоматической посадки на необорудованные радиомаячными системами аэродромы является одной из наиболее сложных научно-технических задач.

Существует ряд методов, при помощи которых во время посадки можно определять навигационные параметры: координаты, скорость и ориентацию самолета. Однако, эти методы либо неавтономны, т.е. требуют наличия связи со вспомогательными системами, находящимися на Земле, либо автономны, но требуют особых условий для выполнения необходимых операций по определению навигационных параметров. К первым относятся радиомаячные системы посадки, ко вторым - автономные навигационные системы (НС). Естественно, что полностью автономные методы определения навигационных параметров были бы наиболее целесообразны. Однако, подобных навигационных систем для автоматической посадки самолета, позволяющих с высокой точностью и в реальном времени определять навигационные параметры, не существует.

В настоящее время созданию навигационных систем для автоматической посадки летательного аппарата (JIA) уделяется большое внимание.

В работе Karen L. Burcham и Alexander Е. Smith [2], опубликованной в

1991 году, исследуется работоспособность четырех альтернативных систем точного захода на посадку: инструментальной системы посадки (Instrument

Landing System, ILS), микроволновой системы посадки (Microwave Landing

System, MLS), глобальной спутниковой навигационной системы (Global

Navigation Satellite System, GNSS) и комплексной системы технического зрения

Synthetic Vision Systems, SVS). В этой работе показано, что в настоящее время спутниковая навигационная система (СНС) соответствует требованиям только 5 категории I, а система технического зрения находиться в стадии разработки, хотя имеет потенциал в виде обеспечения добавочного наведения для безопасности посадки.

С середины 1990-х гг. продолжаются эксперименты по реализации автоматической посадки различных JIA на основе спутниковых навигационных систем (СНС) и комплексных навигационных систем, включающих СНС и инерциальную навигационную систему (ИНС).

В работе Bradford W. Parkinson и Jochen Meyer-Hilberg и др. показано, что СНС не обеспечивает требуемые точности посадки JIA по причине низкоскоростной передачи информации, возможного отсутствия видимости некоторых спутников и разрыва непрерывных сигналов. В процессе исследований были рассмотрены комплексные навигационные системы, которые интегрируются с ИНС и СНС [3,4].

Были проведены эксперименты по автоматической посадке самолетов Boeing 727, 757, А340 на основе американской СНС (Global Positioning System, GPS) в дифференциальном режиме работы. Показано, что в случае использования измерения дальности (псевдодальности) точность оценки координат местоположения соответствовала категории III (по боковому каналу) и категории I или II (по вертикальному каналу). В случае измерения разности фаз точность оценки координат местоположения соответствовала категории III. Однако из-за отсутствия видимости некоторых спутников и при разрывах сигналов, возникали ситуации, когда координаты JIA не определялись или определялись недостаточно точно [5,6,7,8,9]. Кроме того, сложность реализации данного подхода связана с необходимостью установки дополнительного наземного оборудования.

В экспериментах по автоматическим посадкам небольших самолетов внутренних рейсов на основе НС, включающей ИНС и GPS в 6 дифференциальном режиме с использованием измерения разности фаз, точность оценки координат обычно соответствовала категории III, но возникали случаи, которые не соответствовали категории III из-за разрывов сигналов [4,10,11]. По этой причины был разработан метод компенсации разрыва сигналов с помощью псевдоспутников (pseudolites), в качестве которых используются установленные на Земле передатчики, посылающие сигналы летательному аппарату. Данные передатчики предназначены для улучшения точности, целостности и доступности оценки местоположения во время посадки ДА [3,12].

Современные достижения в области совершенствования аппаратуры наблюдения, программного - математического обеспечения процессов обработки изображения позволяют проектировать НС с использованием систем технического зрения.

Многие исследования, связанные с обработкой изображений, в последние годы были представлены на международных конференциях IV S (Intelligent Vehicle Symposium) и ITSC (Intelligent Transportation Systems Conference) [13].

Данные, полученные в результате обработки изображений наземных ориентиров, могут использоваться в качестве дополнения к другим навигационным датчиков, в результате чего может быть улучшена устойчивость и точность оценки навигационных параметров во время посадки [14].

В работе Mehrdad Soumekh была представлена система автоматической посадки самолета на основе обработки изображений, полученных из интерференционной PJIC с инверсной синтезированной апертурой (Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR). Результаты обработки интерференционных ISAR изображений использовались для обнаружения нежелательного вращения угловой ориентации самолета [15].

В работе Chatterji, G.B. и др. была исследована система оценки местоположения и ориентации на основе стандартной системы освещения взлетно-посадочной полосы (ВПП) для ночной посадки самолета. Показано, что точность оценки координат местоположения соответствовала категории II и III по боковому каналу и по вертикальному каналу - категории I. Дополнительно, этот алгоритм позволяет оценивать углы тангажа и рыскания JIA [16].

S. Sasa и Н. Gomi и др. был предложен алгоритм оценивания местоположения и ориентации самолета во время захода на посадку на основе обработки изображения ВПП. Оценивались характеристики алгоритма обработки реального изображения. Результаты оценки координат сравнивались с результатами работы НС, включающей ИНС и GPS, работающей в дифференциальном режиме с использованием измерения разности фаз. Полученная среднеквадратическая ошибка оценки местоположения ЛА с помощью обработки изображений приблизительно равна 1 метру, а среднеквадратическая ошибка оценки ориентации составляет примерно 0,2 градуса на 30 метровой высоте полета JIA [14].

В ряде работ рассматриваются структуры навигационных систем, основанных на инерциальных навигационных системах (ИНС), с использованием систем наблюдения (СН) земной поверхности, например, рассмотрен следующий вариант структуры навигационной системы: ИНС, GPS-приемник, радиовысотомер, СН.

Показано, что данные структуры позволяют повысить точность навигационных измерений и могут быть использованы при автоматической посадке самолета. В то же время в этих работах не рассматривается ряд важных вопросов, например, таких как:

• оценка потенциальной точности работы подобных навигационных систем в 8 режиме автоматической посадки гражданского самолета на аэродром, необорудованный радиомаячными системами; • соответствие точности навигационной системы регламентированной точности категорированной посадки. I

Основной целью исследований является оценка потенциальной точности работы навигационной системы в режиме автоматической посадки гражданского самолета на аэродромы, необорудованные радиомаячными системами в соответствии с регламентированными точностями категорированной посадки.

В результате исследований должны быть определены:

- требования к НС, включающей ИНС, ОР8-приемник, радиовысотомер, СН, позволяющие обеспечить посадку самолета на необорудованный аэродром в дневное время суток;

- категории автоматической посадки, которые потенциально позволяет обеспечить рассматриваемая НС.

Диссертация состоит из четырех глав.

В первой главе диссертации «Постановка задачи исследования» анализируются требования к точности автоматической посадки гражданского самолета, и рассматривается известный вариант построения навигационной системы (НС) с использованием ИНС, СНС, радиовысотомера и системы наблюдения (СН). Предлагается методика исследования точности работы НС.

Во второй главе «Формирование математических моделей навигационной системы» рассматривается формирование моделей полета ЛА, математические модели различных подсистем НС и алгоритм оценки координат 9 и ориентации ЛА.

Третья глава «Анализ алгоритмов обработки изображений» посвящена алгоритмам обработки изображений (АОИ) и их анализу для оценки работоспособности и эффективности СН в целом.

В настоящей работе рассматривается вариант, при котором на исходном ЭИ выделяются фрагменты (рабочие ЭИ), содержащие изображения выбранных наземных ориентиров. В дальнейшем, оценка координат производится путем сравнения рабочих ЭИ с соответствующими участками принимаемых ТИ.

В четвертой главе «Оценка работоспособности навигационной системы» рассматривается вопросы оценки работоспособности НС, которая определяется точностью оценки координат в реальном времени.

Будем считать, что НС работоспособна, если точность определения координат и углов ориентации соответствует требованиям, указанным в первой главе, при условии выдачи полезной информации в реальном времени.

Для определения условий, при которых рассматриваемая НС будет работоспособна, моделируется процесс посадки ЛА с различными вариантами условий наблюдения.

Общий порядок определения условий работоспособности состоит из следующих этапов:

- Моделируется процесс посадки ЛА для различных начальных условий;

- На основании анализа результатов моделирования выделяются варианты, соответствующие требованиям к категорированной посадке по точности;

- Определяются условия наблюдения, при которых обеспечивается заданная точность определения навигационных параметров;

- Определяются требования к частоте £сн,тр получения информация БИНС от СН, обеспечивающей заданную точность работы НС.

В заключении представлены основные научные и прикладные результаты работы. »

1. Постановка задачи исследования

Основной целью исследований является оценка потенциальной точности работы навигационной системы в режиме автоматической посадки гражданского самолета на аэродромы, необорудованные радиомаячными системами в соответствии с регламентированными точностями категорированной посадки.

Для решения поставленных проблем в данном разделе анализируются требования к точности автоматической посадки гражданского самолета, рассматривается известный вариант построения навигационной системы (НС) с использованием ИНС, СНС, радиовысотомера и системы наблюдения (СН). Предлагается методика исследования точности работы НС. В результате исследований должны быть определены:

• требования к НС, включающей ИНС, вРЗ-приемник, радиовысотомер, СН, позволяющие обеспечить посадку самолета на необорудованный аэродром в дневное время суток;

• категории автоматической посадки, которые потенциально позволяет обеспечить рассматриваемая НС.

На основании проведенного анализа предлагается программа исследований по формированию облика навигационной системы.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Хюн Ен Мок

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы

1. Определены требования к навигационной системе, обеспечивающей автоматическую посадку самолета на аэродром, необорудованный радиомаячными системами.

2. Разработана методика исследования точности работы НС, включающей ИНС, СНС, РВ и СН, основанная на математическом моделировании режима посадки самолета при различных условиях и сравнении оценок и фактических параметров полета самолета.

3. Разработаны исследовательские модели и алгоритмы работы навигационных подсистем.

4. Разработана методика и получена аналитическая зависимость для расчета размеров эталонных изображений (ЭИ), требуемых для совмещения ЭИ и текущих изображений наземных ориентиров с заданной точностью.

5. Проведено моделирование работы исследовательской модели НС в составе: БИНС, вРЗ-приемник, РВ и СН с целью определения потенциальной возможности обеспечения автоматической посадки.

6. Разработана методика определения условий реализации автоматической посадки ЛА.

7. Показано, что при определенных условиях рассмотренный вариант НС, позволяет в дневное время суток обеспечить посадку самолета:

- в боковом направлении - в соответствии с категорией III;

- в вертикальном направлении - в соответствии с категориями I и II.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Хюн Ен Мок, 2004 год

1. Михалев И.А., Окоемов Б.Н., Чикулаев М.С. Системы автоматической посадки. М., «Машиностроение», 1975.

2. Karen L. Burcham and Alexander E. Smith. Precision approaches for the year 2000. The Air Traffic Control Association Proceedings. Arlington, USA. 1991.

3. Bradford W. Parkinson and James J. Spilker Jr. Global Positioning System: Theory and Applications Volume I and II. AIAA Inc. 1996.

4. Julie de Cevins and Pascal Ponsot. A340-DGPS landing experiment. Proceedings of the 8th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Palm Springs, USA. 1995.

5. R. Braff and P. O'Donnell, et al. FAA's CAT III feasibility program: Status and accomplishments. Proceedings of the 8th International Technical Meeting of the

6. Satellite Division of the Institute of Navigation. Palm Springs, USA. 1995.

7. David N. Kaufmann and B. David McNally. Flight test evaluation of the Stanford University/United Airlines differential GPS Category III automatic landing system. NASA Technical Memorandum. Moffett Field, USA. 1995.

8. Helmut Blomenhofer. Accuracy, Integrity and availability of GPS based autopilot coupled aircraft landings. Proceedings of the 52nd Annual Meeting of the Institute of Navigation. Cambridge, USA. 1996.

9. Pen Da. Analysis and test results of AIMS GPS/INS system. Proceedings of the 10th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Kansas City, USA. 1997.

10. S. Sasa, H. Gomi, T. Ninomiya, T. Inagaki, Y. Hamada. Position and attitude estimation using image processing of runway. 38th Aerospace sciences meeting and exhibit AIAA. Reno, USA. 2000.

11. Mehrdad Soumekh. Automatic aircraft landing using interferometric inverse synthetic aperture radar imaging. IEEE transactions on image processing. Vol. 5, No. 9. 1996.

12. Chatterji, G.B., P.K. Menon and B. Sridhar. Vision-based position and attitude determination for aircraft night landing. Journal of Guidance, Control, and Dynamics. Vol. 21, No. 1. 1998.

13. Авиационная радионавигация: Справочник. / A.A. Сосновский, И.A. Хаймович, Э.А. Лутин, И.Б. Максимов; Под ред. А.А. Сосновского. М.: Транспорт, 1990.18.