Комплексная система раннего предупреждения приближения к земле с расширенными функциональными возможностями и программно-алгоритмические средства, минимизирующие вероятность ложной сигнализации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.03, кандидат технических наук Дрягин, Дмитрий Михайлович

• Дрягин, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дрягин, Дмитрий Михайлович

Введение.

ГЛАВА 1 РАЗРАБОТКА ОБЩЕЙ СТРУКТУРЫ И ОБЩЕГО АЛГОРИТМА СИСТЕМЫ . 8 1.1 Анализ общих требований к СРППЗ.

1 2 Обобщенная структурная схема СРППЗ.

13 Анализ требований к режимам СРППЗ.

14 Варианты построения системы

Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КОМПЛЕКТОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ

2 1 Анализ минимальных требований к составу входной информации и возможные источники данных.

2 2 Модель ошибок спутникового приемоизмерителя

2 3 Модель ошибок барометрического высотомера

2 4 Модель ошибок радиовысотомера

2 5 Математические модели рельефа

2 6 Алг оритмы определения ортометрической высоты.

2.7 Способ определения типа коррекции барометрического высотомера

2 8 Алгоритм прогнозирования траектории.

Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ПРАВИЛ И ЛОГИЧЕСКИХ АЛГОРИ ГМОВ РАБОТЫ РЕЖИМОВ СИСТЕМЫ

3 1 Анализ основных причин летных происшествий по этапам полета.

3 2 Границы сигнализации

3 29 Режим 8 Предупреждение о преждевременном снижении высоты . .127 3 3 Эргономические аспекты при разработке системы

Выводы по главе

ГЛАВА 4 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ

4 1 Структура комплекса полунатурного, имитационного моделирования и наземной отработки СРППЗ

4 2 Наземные испытания системы

4 3 Методики летных испытаний системы

4 4 Анализ причин включения сигнализации СРППЗ в процессе рейсовых полетов на различных типах ВС . 151 4 5 Дополнительные возможности системы

Выводы по главе

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Комплексная система раннего предупреждения приближения к земле с расширенными функциональными возможностями и программно-алгоритмические средства, минимизирующие вероятность ложной сигнализации»

Выражение "Человеку свойственно ошибаться" применимо ко всем сферам человеческой деятельности. К сожалению, и авиация не является исключением, причем цена ошибки здесь особенно велика. Несмотря на принимаемые меры, доля авиационных происшествий, отнесенных к так называемому "человеческому фактору", остается высокой (60-70%) и практически не снижается [28J Это свидетельствует о частичном исчерпывании возможностей такого рода мероприятий, нацеленных главным образом на совершенствование работы человека - оператора

Другим направлением снижения аварийности является модернизация конструкции воздушных судов Так, в "Руководстве но предотвращению авиационных происшествий ИКАО" сказано "конструкция воздушного судна должна предусматривать уменьшение вероятности человеческих ошибок Иными словами машина должна "прощать" человеческие ошибки и смягчать их последствия Если сами по себе ошибки не являются очевидными, то экипаж должен получить сигнал об их появлении" [68]

Авиационная промышленность России серийно выпускала три типа систем предупреждения столкновений с землей класса СППЗ1 ССОС (Ульяновское Конструкторское Бюро Приборостроения), аналоговая СППЗ-1-2 и цифровая СППЗ-85 (фирма "Авиаприбор-Восход"). Система ССОС установлена на самолетах Ил-76, Ил-62, Ту-154Б, Ту-134, Ан-74, Ан-32, Ан-26, Ан-24, Ан-124-100. В этой системе реализованы только режимы 1-3. СППЗ-1-2 и СППЗ-85 относятся к системам второго поколения и в них реализованы режимы 1-6. СППЗ-1-2 оснащены Ил-86, Ил-62М, Як-42, а СППЗ-85 - установлена только на самолетах Ил-96-300 и Ту-204 (Ту-214) Системы предупреждения столкновения с землей отсутствуют на самолетах Як-40 (32 пассажира), Ан-28 (17 пассажиров), Ан-2 (12 пассажиров), Л-410УВП (19 пассажиров), Ан-12

Несмотря на то, что внедрение систем СППЗ (GPWS) позволило значительно уменьшить количество катастроф CFIT, полностью их исключить не удалось (примерно 35% всех катастроф CFIT произошло с самолетами с установленной и функционирующей системой СППЗ [51J Например, такие инциденты имели место в случаях с самолетом 1У-154М в районе аэродрома Longyear (Норвегия) в 1996 г, с самолетом В-747-300 в районе острова Guam (США) в 1997 г. Основные причины этих катастроф можно разбить на три группы [53,45, 50].

1) Отсутствие сигнализации в 28% случаев Как правило, это происходило в процессе снижения самолета в полностью посадочной конфшурации шасси и закрылков Чак как ложные срабатывания сигнализации являются крайне нежелательными на этапе захода на посадку, чувствительность систем СППЗ умышленно уменьшается при посадочной конфигурации ВС

2) Поздняя выдача сигнализации и недостаточное время у пилота для исправления сложившейся ситуации зафиксировано в 36% катастроф Границы сигнализации режимов СППЗ, в основном, рассчитаны на полет над медленно меняющимся рельефом и при полете над быстро нарастающим рельефом сигнализация может быть слишком поздней В среднем сигнализация выдается за 5-15 с до столкновения [51J

3) Неадекватные и запоздалые действия летного экипажа явились причиной 40% катастроф Как правило, запоздалые действия являлись причиной достаточно частных ложных срабатываний системы

Таким образом, в СРППЗ должны быть решены три основные задачи обеспечение надежной защиты ВС на этапах набора высоты и захода на посадку, увеличение времени доступного экипажу для принятия решения и выполнения избегающего маневра, меры для подавления источников ложных срабатываний

В последние годы появилась возможность значи1ельно расширить функциональные характеристики таких систем, а именно увеличить время, предоставляемое экипажу для исправления ситуации и снизить вероятность ложных сигнализаций за счет использования спутниковых навигационных систем и цифровых баз данных.

Для систем, реализующих все режимы систем СППЗ, функции раннего предупреждения, а также осуществляющих вывод информации о характере подстилающей поверхности на индикатор используется обозначение TAWS (Terrain Awareness and Warning System) Официального общего названия для этого класса систем в России на данный момент нет Наиболее часто встречаются следующие обозначения: СРППЗ (система раннего предупреждения приближения к земле) и СРПБЗ (система раннего предупреждения близости земли) Вторая аббревиатура используется в качестве названия системы производства компании ВНИИРА-Навигатор, поэтому далее, чтобы не нарушать общности в качестве обозначения этого класса аппаратуры будем использовать первую аббревиатуру

Анализ летных происшествий класса CFIT (controlled flight into terrain) за период 1985-1995, проведенный компанией BOING показал, что установка новых систем класса СРППЗ смогла бы предотвратить от 95 до 100% из них Поэтому, начиная с 2005 i, в большинстве регионов мира установка таких систем на гражданские типы ВС становится обязательной и для выполнения международных рейсов российские самолеты должны быть оснащены системами СРППЗ

На момент окончания редактирования этого раздела существует две сертифицированные системы TAWS российского производства (СРПБЗ - ВНИИРА-Навигатор, 11A-12(S) - ЗАО " Гранзас"), а также ряд зарубежных систем (TAWS - Universal, ST3400 - Sandel, EGPWS -Honeywell) Результаты работы были использованы и апробированы в процессе разработки и испытаний системы TTA-12(S) Учитывая тот факт, что компания Honeywell является пионером в создании этого класса систем, выполнила большой объем исследовательских работ и имеет наибольший опыт в ее разработке и эксплуатации, системе TTA-12(S), в основном, противопоставляется система EGPWS Рассмотрен существующий опыт в части построения системы, организации ее взаимодеиствия с другим бортовым оборудованием, реализации режимов сигнализации Проанализированы алгоритмы, реализация которых необходима для работы СРППЗ, но они являются закрытыми или их оптимальность вызывает сомнение. В работе рассмотрены следующие основные вопросы.

1) Каким образом должны учитываться особенности различных типов ВС в границах сжна-лизации системы, какие ограничения несет за собой унификация границ сигнализации?

Этот вопрос встает на основании факта, что адаптация систем под тип самолета, исходя из руководств по установке и эксплуатации [66], ограничивается настройкой интерфейса сопряжения с бортовыми системами конкретного типа ВС Границы сигнализации при переходе от одного типа ВС к другому при этом остаются неизменными В качестве исключения можно выделить системы EGPWS, в которых параметры границ двух "старых" режимов имеют отличия для реактивных и турбовинтовых самолетов. Поэтому в работе проанализирован физический смысл границ сигнализации режимов СРППЗ, и их зависимость от типов ВС По результатам проведенного анализа даются рекомендации по выбору параметров границ сигнализации

2) Можно ли расширить функциональные возможности старых режимов за счет использования дополнительных источников информации^

Во всех существующих системах переход от системы класса СППЗ к системе класса СРППЗ осуществлен путем добавления двух новых режимов, функциональность же старых режимов оставлена без изменений В работе рассмотрены новые функции, которые могут быть реализованы в существующих режимах - "Чрезмерная скорость снижения", "Опасная скорость сближения с подстилающей поверхностью", "Проверка относительной барометрической высоты"

3) Как правильно выбрать запас по времени для выдачи сигнализации, чтобы с одной стороны этого запаса было достаточно для принятия решения и выполнения избегающею маневра А с другой стороны не было ложных сигнализаций при выполнении стандартных процедур, даже при полетах в районах со сложным рельефом

Запас по времени для нового режима - функция оценки местности в направлении полета -выбирается равным 60 секундам (EGPWS и СРПБЗ), в некоторых системах он равен 120 с (TTA-12(S) и TAWS) Обе цифры, судя по их величине, имеют скорее декларативный характер Поэтому важно понимать ограничения, которые могут лимитировать значение этою запаса на различных этапах полета и для различных типов ВС В работе предложен алгоритм вычисления допустимого запаса по времени, исходя из правил построения зон учета препятствий вокруг маршрута полета, изложенных в [27]

4) Алгоритм определения высоты самолета относительно того же уровня, от которого отчитываются высоты в базах данных (цифровой модели рельефа, базе искусственных препятствий) В описании системы EGPWS приведен алгоритм вычисления этой высоты самолета, однако приведенное описание не является достаточным для практической реализации Поэтому был предложен субоптимальный и оптимальный алгоритм расчета высоты ВС, на основе комплектования барометрической и спутниковой высот

5) Алгоритм прогнозирования траектории ВС является одной из главных составляющих функции оценки местности в направлении полета В работе проанализированы два основных типа траектории полет по прямой и полет с разворотом Первый случай не вызывает затруднений и пршноз осуществляется из условия полета по ортодромии Основным источником ошибки прогнозирования в этом случае является ошибка в определении текущею путевого ума, по которому вычисляются параметры юризонгальною сечения области сигнализации Болынинство разработчиков систем СРППЗ ограничиваются этим случаем полета, так как учет поворота заключается в расширении области сигнализации в направлении разворота В работе показано, что при полете с разворотом основным источником ошибки является не точность определения путевого угла, а априорная неопределенность времени полета с разворотом, после которого восстанавливается прямолинейный полет. При этом, в отличие от случая горизонтального полета, длительность выполнения поворота сопоставима и даже, как правило, меньше интервала прогнозирования системы и данной ошибкой нельзя пренебрегать

6) Требования к цифровой модели рельефа

В [74] говорится, что "шаг сетки цифровой модели рельефа должен быть достаточным для нормальной работы системы Данные о подстилающей поверхности должны быть разделены на ячейки с шагом сетки 30 угловых секунд в пределах 30 морских миль от всех аэропортов с длиной BIIII 3500 футов и более При необходимости (особенно в горных районах), шаг сетки должен быть 15 угловых секунд (или даже 6 уиювых секунд) в пределах 6 миль от ближайшей ВПГ1 Возможно, чтобы данные о подстилающей поверхности были разделены на более крупные ячейки в пределах океанов и удаленных областей земного шара". При этом не оговаривается, почему выбран шаг сетки в 30 угловых секунд, что является критерием "при необходимости" перехода на более точную модель рельефа В связи с этим сделана попытка проанализировать ограничения, накладываемые на величину максимально допустимого шага сетки

7) Пути уменьшения количества ложных сигнализаций CPI1ПЗ

По статистике достаточно крупного западного авиаперевозчика за год было зафиксировано 339 срабатываний системы GPWS, причем 247 из них (те 73%) были необоснованными [43] Компания Honeywell утверждает [65], что в системе EGPWS достигнут крайне низкий уровень ложных срабатываний и составляет 1 случай на 150000 летных часов работы Из описания системы следует, что предприняты такие меры как модуляция границ сигнализации, фильтрация параметров, учет особенностей рельефа на конкретных аэродромах, однако конкретные алгоритмы реализации не приводятся

В процессе первого периода эксплуатации систем ТТЛ-12 и TTA-12S было отмечено достаточно мною нареканий со стороны летного состава на большое количество неоправданных срабатываний системы Для выявления причин срабатываний в рейсовых полетах был разработан и внедрен механизм сбора и анализа информации, регистрируемой системой TTA-12(S) в процессе своей работы Это позволило выявить основные причины срабатываний, среди которых были не только ошибки в логике работы системы, но и "особенности" работы бортового оборудования самолета, нарушение экипажами предписаний PJI3, непригодность общепринятых границ сигнализации для некоторых типов самолеюв Были предложены конкретные меры для уменьшения количества необоснованных сигнализаций

Заключение диссертации по теме «Приборы навигации», Дрягин, Дмитрий Михайлович

Заключение

В процессе работы в соответствии с поставленными целью и задачами достигнуты следующие основные результаты

1 Проведен анализ существующей нормативной документации, а также опыта разработки и эксплуатации систем раннего предупреждения приближения к земле Показано, что нормативная документация не является достаточно полной, а существующие системы обладают рядом принципиальных недостатков

2 Показано, что перспективным является принцип построения СРППЗ, базирующийся на использовании информации от спутникового приемоизмерителя, цифровых баз данных, показаний радиовысотомера, системы воздушных сит налов, системы посадки, а также датчиков состояния механизации самолета, в то время как система на базе РЛС не обеспечивает выполнение всех требований к СРППЗ

3 Разработаны модели ошибок для основных источников данных СРППЗ (СНС, барометрический высотомер, цифровая модель рельефа), обеспечивающие учет погрешностей специфичных для СРППЗ Такие как ошибка уровня отсчета для датчиков высоты в зависимости от их режимов работы (С^Е, ОЫН, С}ЫЕ для барометрического высотомера, МБЦ \Ув8-84 для СНС) и др

4 Разработаны алгоритмы определения ортометрическои высоты ВС, прогнозирования траектории, вычисления параметров фильтров входной информации, обеспечивающие надежную работу СРППЗ на всех этапах полета от взлета до посадки, включающие как прямолинейные участки, так и участки полета с разворотом

5 Разработаны методики расчета параметров областей сигнализации для основных режимов системы, позволяющие обеспечить заданную вероятность выдачи сигнализации при возникновении опасной ситуации за счет учета типа самолета, правил производства полетов, состава бортового оборудования ВС, а также снизить количество ложных срабатываний системы