Методы и алгоритмы комплексной обработки метеоинформации при метеорологическом обеспечении полетов воздушных судов гражданской авиации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.14, доктор наук Болелов Эдуард Анатольевич

• Болелов Эдуард Анатольевич
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Болелов Эдуард Анатольевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Введение

Глава 1. Анализ метеорологического обеспечения полетов 17 воздушных судов гражданской авиации. постановка проблемы исследования

1.1. Влияние качества метеорологического обеспечения на 17 безопасность и регулярность полетов воздушных судов гражданской авиации

1.2. Проблемные аспекты метеорологического обеспечения полетов 26 гражданской авиации в Российской Федерации

1.3. Радиозондирование атмосферы, его роль и проблематика в задачах 48 метеорологического обеспечения полетов

1.4. Пути повышения качества метеорологического обеспечения 60 полетов. Постановка проблемы и основные задачи исследования

Выводы по главе

Глава 2. Технический облик перспективных комплексных 75 аэродромных мобильных метеосистем и комплексов радиозондирования атмосферы

2.1. Технический облик перспективных комплексных аэродромных 76 мобильных метеосистем. Требования к комплексным аэродромным мобильным метеосистемам

2.2. Технический облик перспективных комплексов зондирования 107 атмосферы. Требования к комплексам зондирования атмосферы

Выводы по главе

Глава 3. Метод и алгоритмы комплексной обработки информации 139 о профиле температуры, параметрах ветра и опасных ветровых явлениях в районе аэродрома

3.1. Общая структура и описание метода комплексной обработки 139 информации в перспективных комплексных аэродромных мобильных метеосистемах

3.2. Определение состава элементов информационной части системы 145 комплексной обработки информации

3.3. Алгоритмы комплексной обработки информации о параметрах 153 ветра и опасных ветровых явлениях в районе аэродрома

3.3.1. Постановка задачи и синтез алгоритмов комплексной обработки 153 информации о параметрах ветра и опасных ветровых явлениях в районе аэродрома

3.3.2. Оценка качества алгоритма комплексной обработки информации 163 о параметрах ветра и опасных ветровых явлениях в районе аэродрома

3.4. Алгоритм комплексной обработки информации о профиле 170 температуры в районе аэродрома

3.4.1. Постановка задачи и синтез алгоритма комплексной обработки 170 информации о профиле температуры в районе аэродрома

3.4.2. Оценка качества алгоритма комплексной обработки информации 176 о профиле температуры в районе аэродрома

Выводы по главе

Глава 4. Метод и алгоритмы обработки метеоинформации в 191 комплексной системе радиозондирования атмосферы

4.1. Общая структура и описание метода комплексной обработки 192 метеоинформации в перспективной комплексной системе радиозондирования атмосферы

4.2. Исследование погрешностей измерения метеопараметров 195 атмосферы при радиозондировании

4.3. Алгоритмы комплексной обработки метеопараметров атмосферы в 199 перспективной комплексной системе радиозондирования

4.3.1. Постановка задачи и синтез алгоритмов комплексной обработки 199 метеопараметров атмосферы в комплексной системе радиозондирования

4.3.2. Оценка качества алгоритмов комплексной обработки 219 метеопараметров атмосферы в перспективной комплексной системе радиозондирования

4.4. Алгоритмы комплексной обработки информации о 226 пространственных координатах радиозонда

4.4.1. Постановка задачи и синтез алгоритмов комплексной обработки 227 информации о пространственных координатах радиозонда

4.4.2. Оценка качества алгоритмов комплексной обработки 250 информации о пространственных координатах радиозонда

Выводы по главе

Глава 5. Рекомендации по построению и концепция применения 273 комплексных аэродромных мобильных метеосистем и комплексных систем радиозондирования атмосферы

5.1. Рекомендации по построению и концепция применения 273 комплексных аэродромных мобильных метеосистем

5.2. Рекомендации по построению и концепция применения 283 комплексных систем радиозондирования атмосферы

Выводы по главе

Заключение

Список используемых сокращений

Список литературы

Приложения

Приложение А. Особенности метеорологического обеспечения 334 полетов в различных географических районах Российской Федерации и на различных высотах полетов воздушных судов

Приложение Б. Авиационные метеопрогнозы и метеосводки

Приложение В. Сведения о сети станций аэрологического 342 радиозондирования атмосферы на территории Российской Федерации Приложение Г. Краткая характеристика опасных для авиации 353 метеоявлений

Приложение Д. Дистанционное измерение профиля температуры 361 нижних слоев атмосферы методами радиополяриметрии Приложение Е. Натурные сравнительные исследования 370 радиолокационной и радионавигационной систем аэрологического зондирования атмосферы

Приложение Ж. Влияние температуры воздуха, скорости и 387 направления ветра на безопасность и регулярность полетов при подготовке воздушного судна к полету

Приложение З. Анализ погрешностей измерения температуры и 397 погрешностей, вносимых каналом телеметрии при радиозондировании атмосферы

Приложение И. Анализ погрешностей измерения пространственных 415 координат радиозонда и параметров ветра

Введение

Актуальность темы исследования. Анализ основных концепций, проектов и программ развития Российской Федерации, ее отдаленных районов, таких как Арктика, Крайний Север и приравненных к ним районов, показывает, что одним из приоритетных направлений их развития является развитие транспортной инфраструктуры. Большое внимание к развитию транспортной инфраструктуры регионов Российской Федерации объясняется целями их ускоренного экономического развития и улучшением инвестиционного климата. В этих условиях особую важность приобретает задача развития воздушного транспорта.

Основными приоритетами развития воздушного транспорта являются безопасность и регулярность полетов воздушных судов. Именно они определяют репутацию воздушного транспорта, как надежно перевозчика пассажиров и грузов. Однако, к настоящему времени сложилось определенное несоответствие между уровнем развития воздушного транспорта, возросшими требованиями к обеспечению безопасности и регулярности полетов и качеством такого важного вида обеспечения как метеорологическое обеспечение полетов (МОП).

Одним из основных показателей качества МОП является оправдываемость метеопрогнозов. Практика показывает, что, несмотря на высокую заявленную оправдываемость метеопрогнозов (средняя оправдываемость прогнозов по аэродрому более 95%), доля авиационных происшествий по причине недостатков МОП по-прежнему достаточно высока и составляет около 9%. Только по официальным данным, по причине неоправдавшихся прогнозов ежегодно десятки воздушных судов (ВС) совершают вынужденные посадки на запасных аэродромах, а авиакомпании несут большие финансовые и репутационные издержки.

Необходимо отметить, что за прошедшее десятилетние не произошло коренных изменений в организационной системе МОП. Практически без изменений продолжает существовать нынешняя система МОП, а ее модернизация в большей степени выражается в незначительных организационно-штатных

преобразованиях. Значения показателей качества МОП по-прежнему определяются устаревшими инструкциями и в значительной степени зависят от квалификации метеоролога аэродромной метеослужбы.

Имеющиеся противоречия не могут быть устранены только за счет совершенствования нормативно-правовых актов и инструктивных документов. Назрела необходимость комплексного решения всех проблем МОП и в первую очередь проблемы совершенствования методов и технических средств проведения метеонаблюдений в целях повышения оправдываемости метеопрогнозов и прогнозов опасных для авиации метеоявлений (ОАМЯ). Кроме этого, на основе научно обоснованных методов необходимо решить задачу обеспечения достоверности той метеоинформации, которая поступает на аэродромную метеостанцию по автоматизированным каналам передачи информации от наблюдательной сети Росгидромета.

Проведенный в работе анализ качества МОП, методов и технических средств проведения метеонаблюдений свидетельствует об объективно существующем противоречии практического характера между современными требованиями к уровню безопасности и регулярности полетов и качеством метеорологического обеспечения полетов, которое во многом зависит от уровня оснащенности аэродромных метеослужб современными метеорологическими системами и комплексами. В эксплуатации на сегодняшний день находятся не более 5% современных метеорологических комплексов, а устаревшие метеорологические системы и комплексы (вплоть до 95%) уже не в полной мере могут обеспечивать требуемый уровень оправдываемости метеопрогнозов. Проблематика ситуации заключается еще и в том, что метеоролог аэродромной метеослужбы пользуется метеоинформацией, поступающей по автоматизированной сети передачи данных Росгидромета, достоверность которой может вызывать большие сомнения.

Кроме этого, существующие методы и алгоритмы обработки метеорологической информации, реализованные в метеорологических комплексах и системах, не позволяют в полной мере использовать заложенные в них

потенциальные возможности. Следствием этого яляется возникновение противоречия научного характера между необходимостью повышения достоверности метеоинформации путем применения комплексной обработки данных от метеосистем, функционирование которых основано на разных физических принципах, и отсутствием единого научно-методического аппарата комплексной обработки метеоинформации.

Для разрешения сформулированных противоречий практического и научного характера в диссертации решается актуальная научно-техническая проблема повышения качества метеорологического обеспечения полетов воздушных судов гражданской авиации, требующая разработки на основе единого научно-методического аппарата методов и алгоритмов комплексной обработки метеоинформации.

В настоящее время проблема создания комплексных алгоритмов обработки метеоинформации в целом не решена. В большинстве работ излагаются подходы, позволяющие эффективно решать отдельные частные задачи обработки метеоинформации [22,71,86,103,104,117,200]. Однако они не обладают свойством системности и не позволяют объединить средства проведения метеонаблюдений в единую комплексную систему. Только системность в подходе к решению сформулированной проблемы позволит добиться повышения оправдываемости метеопрогнозов и прогнозов ОАМЯ, а, следовательно, повышения уровня безопасности и регулярности полетов ВС.

Степень разработанности темы исследования

Большой вклад в решение широкого круга теоретических и прикладных вопросов безопасности и регулярности полетов внесли Е.Ю. Барзилович, В.В. Воробьев, В.Г. Воробьев, А.Г. Гузий, Г.Н. Гипич, В.Г. Евдокимов, Б.В. Зубков, Е.А. Куклев, А.М. Лебедев, Г.Л. Лившиц, А.М. Лушкин, В.П. Макаров, Г.Н. Матвеев, М.И. Неймарк, Н.И. Плотников, С.Е. Прозоров, Р.В. Сакач, Н.Н. Смирнов, Ю.М. Чинючин, В.С Шапкин и др.

Теоретические и прикладные вопросы метеорологического обеспечения, повышения оправдываемости метеопрогнозов, разработки методов измерения

параметров атмосферы излагаются в трудах А.М. Баранова, О.Г. Богаткина, О.В. Васильева, В.Г. Глазунова, В.Ф. Говердовского, А.Г. Горелика, А.С. Зверева, А.И. Логвина, Ю.П. Переведенцева, В.Д. Рубцова, Л.Е. Рудельсона, Г.Г. Щукина.

В области развития систем радиозондирования атмосферы имеются серьезные теоретические и практические исследования С.П. Ессяк, П.Ф. Зайчикова, В.И. Иванова, А.Б. Калиновского, М.В. Кречмера,

A.Ф. Кузенкова, О.В. Марфенко, П.А. Молчанова, Н.З. Пинуса, В.Д. Решетова, Г.П. Трифонова, М.Б. Фридзона, и др.

В работах М.А. Миронова, Р.Л. Стратоновича, В. И. Тихонова, Г.И. Тузова,

B.А. Чердынцева, М.С. Ярлыкова и др. создан строгий математический аппарат марковской теории комплексирования информации.

Необходимо отметить также перспективные разработки АО «Концерн Международные аэронавигационные системы» в области создания комплексов метеообеспечения полетов, теоретические работы ГосНИИ ГА, МГТУ ГА и РГГМУ в области повышения качества метеообеспечения аэронавигации.

Вместе с тем, проблема повышения оправдываемости метеопрогнозов, в частности, авиационных, создания алгоритмов комплексной обработки метеоинформации, разработка методов измерения параметров атмосферы, основанных на новых физических принципах, остается по-прежнему не решенной. Недостаточное внимание уделяется достоверности аэрологической информации с точки зрения использования ее в деятельности воздушного транспорта при планировании и производстве полетов. Практически отсутствуют разработки комплексных систем радиозондирования атмосферы, использование которых позволило бы обеспечить достоверность метеоинформации, которая поступает от наблюдательной сети Росгидромета. Не уделяется должного внимания использованию беспилотных летательных аппаратов в качестве аэродромных метеоразведчиков погоды.

Целью диссертационной работы является повышение достоверности метеорологической информации на основе разработки и внедрения комплексных методов и алгоритмов обработки метеорологической информации.

Цель работы достигается решением комплекса взаимосвязанных задач, а именно:

1. Анализом качества МОП ВС ГА, методов и технических средств проведения метеоизмерений и метеонаблюдений.

2. Обоснованием технического облика и требований к комплексным аэродромным мобильным метеосистемам.

3. Разработкой метода и алгоритмов комплексной обработки информации о параметрах атмосферы в комплексных аэродромных мобильных метеосистемах.

4. Обоснованием технического облика и требований к комплексным систем радиозондирования атмосферы.

5. Разработкой метода и алгоритмов комплексной обработки информации о параметрах атмосферы в комплексных системах радиозондирования атмосферы.

6. Разработкой рекомендаций по построению комплексных аэродромных мобильных метеосистем и комплексных систем радиозондирования атмосферы и основных положений концепции их применения в интересах метеообеспечения полетов ВС ГА.

Объектом диссертационного исследования являются технические системы и средства метеорологического обеспечения полетов ВС ГА.

Предметом диссертационного исследования являются методы и алгоритмы комплексной обработки метеорологической информации.

Методы исследования базируются на основных положениях марковской теории оценивания случайных процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории статистических решений, теории инвариантности, а также включают методы математического моделирования.

Границы исследования определяются тем, что сформулированная научно-техническая проблема решается в рамках принципов построения и формирования структуры перспективных технических средств МОП, разработки новых методов и алгоритмов комплексной обработки метеоинформации и регистрации ОАМЯ и не затрагивает вопросов нормативно-правового и организационного характера в области МОП.

Научная новизна работы состоит в дальнейшем развитии теоретических методов комплексной обработки информации применительно к потребностям МОП. В настоящей работе впервые:

1. Обоснован технический облик комплексной аэродромной мобильной метеорологической системы и сформулированы основные требования к ней.

2. Разработаны метод и алгоритмы комплексной обработки информации о параметрах атмосферы в районе аэродрома, позволяющие повысить достоверность исходной метеоинформации для разработки метеопрогнозов и прогнозов ОАМЯ в районе аэродрома при проведении взлетно-посадочных операций. В частности, получены:

- алгоритмы комплексной обработки информации о параметрах ветра и опасных ветровых явлениях в секторах взлета и посадки воздушных судов, отличающиеся от известных тем, что они синтезированы на основе единого научно-методического аппарата марковской теории оценивания случайных процессов;

- алгоритмы комплексной обработки информации о профиле температуры в районе аэродрома.

3. Обоснован технический облик комплексной системы радиозондирования атмосферы, являющейся основным источником метеоинформации для формирования метеопрогнозов и прогнозов ОАМЯ на маршрутах полетов ВС.

4. Разработаны метод и алгоритмы обработки информации в комплексной системе радиозондирования атмосферы, позволяющие повысить достоверность исходной метеоинформации и обеспечить формирование качественных метеопрогнозов и прогнозов ОАМЯ на маршрутах полетов ВС. В частности, получены:

- алгоритмы комплексной обработки информации о профиле температуры и влажности, с возможностью обнаружения аномальных режимов функционирования каналов передачи информации;

- алгоритмы комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда.

5. Разработаны рекомендации по построению и основные положения концепции применения комплексных аэродромных мобильных метеосистем и комплексных систем радиозондирования атмосферы в интересах обеспечения безопасности и регулярности полетов ВС.

Практическая значимость работы состоит в том, что внедрение ее результатов в разработку перспективных комплексных аэродромных мобильных метеосистем и комплексных систем радиозондирования атмосферы позволит повысить достоверность метеоинформации и тем самым обеспечить заданный уровень оправдываемости метеопрогнозов и прогнозов ОАМЯ. При этом удобная для программной реализации форма представления алгоритмов комплексной обработки метеоинформации способствует успешному их применению не только в перспективных, но и в современных метеосистемах.

Самостоятельную практическую значимость имеют:

- алгоритмы комплексной обработки информации о профиле температуры, параметрах ветра и опасных ветровых явлениях в секторах взлета и посадки воздушных судов;

- алгоритмы комплексной обработки метеоинформации в системах радиозондирования атмосферы, с возможностью обнаружения фактов нарушений функционирования каналов передачи информации;

- алгоритмы комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда.

Достоверность научных результатов основана на:

- глубоком анализе состояния проблемы метеорологического обеспечения полетов и ее взаимосвязи с проблемами обеспечения заданного уровня безопасности и регулярности полетов воздушных судов гражданской авиации;

- корректном использовании известных теоретических методов марковской теории оценивания случайных процессов, теории вероятностей и математической статистики, теории статистических решений, теории инвариантности, методов математического моделирования;

- на сравнительном анализе результатов имитационного моделирования и данных экспериментальных исследований аэродромных метеосистем и систем радиозондирования атмосферы.

Положения, выносимые на защиту:

1. Технический облик и требования к комплексной аэродромной мобильной метеосистеме.

2. Метод и алгоритмы комплексной обработки информации о параметрах профиле температуры, параметрах ветра и опасных ветровых явлениях в районе аэродрома.

3. Технический облик и требования к комплексной системе радиозондирования атмосферы.

4. Метод и алгоритмы комплексной обработки метеоинформации в системе радиозондирования атмосферы.

5. Рекомендации по построению и общие положения концепции применения комплексных аэродромных мобильных метеосистем и комплексных систем радиозондирования атмосферы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы и алгоритмы комплексной обработки метеоинформации при метеорологическом обеспечении полетов воздушных судов гражданской авиации»

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на:

1) XIII Всероссийской конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса. Физические основы, методы и технологии мониторинга окружающей среды, потенциально опасных явлений и объектов», ИКИ РАН, 2015;

2) Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», МГТУ ГА, г. Москва, 2016;

3) IV Всероссийской научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения», г. Воронеж, 2016;

4) VI Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники в сфере развития авиации», Белорусская государственная

академия авиации, г. Минск, 2016;

5) I Международной заочной научно-практической конференции «Авиация: современность, перспективы развития и история», Белорусская государственная академия авиации, г. Минск, 2016;

6) Научных чтениях, посвященных памяти Н.Е. Жуковского, г. Москва,

2017;

7) II Международной заочной научно-практической конференции «Авиация: история, современность, перспективы развития», Белорусская государственная академия авиации, г. Минск, 2017;

8) V Международной научно-практической конференции «Академические Жуковские чтения», г. Воронеж, 2017;

9) Международной научно-практической конференции «Информационные инновационные технологии», г. Прага, 2017;

10) XIV Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений», МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017.

11) VII Международной научно-практической конференции «Актуальные вопросы науки и техники в сфере развития авиации», г. Минск, 2017;

12) Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», МГТУ ГА, г. Москва, 2018;

13) Форуме «Метеорологическое обеспечение полетов гражданской авиации», Филиал «НИИ Аэронавигации» ФГУП ГосНИИ ГА, 2018;

14) II Международной заочной научно-практической конференции «Авиация: история, современность, перспективы развития», Белорусская государственная академия авиации, г. Минск, 2018;

15) III Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития авиации», Белорусская государственная академия авиации, г. Минск, 2019;

16) Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы гидрометеорологии и устойчивого развития Российской Федерации»,

РГГМУ, г. Санкт-Петербург, 2019;

17) IV Международной научно-практической конференции «Авиация: история, современность, перспективы развития», Белорусская государственная академия авиации, г. Минск, 2019;

18) XV Международной научно-практической конференции «Комплексные проблемы техносферной безопасности. Задачи, технологии и решения комплексной безопасности», г. Воронеж, 2019.

19) 20-м заседании Координационной комиссии по аэронавигации, МАК, г. Москва, 2019;

20) 55 научных чтениях, посвященных памяти К.Э. Циолковского, г. Калуга, 2020 г.

21) научно-технических семинарах кафедры «Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования воздушного транспорта» МГТУ ГА, г. Москва, 2015-2020 гг.

Публикации

Основные результаты работы опубликованы в 46 печатных работах, в том числе: 23 научных статьи в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК при Минобрнауки РФ; 17 научных статей и тезисов докладов, опубликованных в других изданиях; 5 отчетов о НИР и 1 монография.

Реализация результатов работы проводилась при выполнении инициативных НИР в МГТУ ГА и НИР, выполняемых в ГосНИИ ГА в рамках цикла научных исследований «Радио и метеообеспечение полетов воздушных судов в приполярных широтах». Основные результаты диссертационной работы внедрены в АО «Концерн «Международные аэронавигационные системы», ООО «Аэроприбор», ФГУП ГосНИИ ГА, Межгосударственном авиационном комитете, ФГУП ГосНИИ АС, что подтверждено соответствующими актами.

Полученные теоретические результаты приняты к использованию в учебном процессе в МГТУ ГА.

Структура и объем диссертационной работы

Диссертация состоит из введения, пяти разделов и заключения. Основная часть работы содержит 332 страницы текста, включая 123 рисунка, 23 таблицы. Общий объем работы 421 страница. Библиографический список включает 241 наименование работ отечественных и зарубежных авторов. Приложения общим объемом 89 страниц содержат 9 приложений.

Глава 1. Анализ метеорологического обеспечения полетов воздушных

судов гражданской авиации. постановка проблемы исследования

1.1. Влияние качества метеорологического обеспечения на безопасность и

регулярность полетов воздушных судов гражданской авиации

В Российской Федерации воздушный транспорт относится к числу приоритетных отраслей экономики страны, объединяющих все регионы в единое целое, а также обеспечивающий ее внешнеэкономические связи. Рост пассажирооборота на воздушном транспорте в последнее десятилетие составил 70,2%, а грузооборота - 14,5%, при этом доля современных ВС в структуре парка российских авиакомпаний увеличилась до 35% и продолжает расти. Темпы развития воздушного транспорта в Российской Федерации в 2-3 раза превышают международные показатели [201].

В Транспортной стратегии Российской Федерации, определенной на период до 2030 года, основными приоритетами развития воздушного транспорта являются снижение аварийности, повышение безопасности полетов (БП), а также обеспечение регулярности (РП) (своевременности, ритмичности) пассажирских и грузовых перевозок. Однако, несмотря на определенные успехи, состояние БП и РП остается в целом не вполне удовлетворительным. Наблюдается явное отставание РФ от стран, которые являются признанными лидерами в авиационной отрасли.

По данным отчетов [10,25,157,216] абсолютные значения показателей БП в коммерческой авиации за 2017 год превышают средние значения за 2001 -2015 годы по числу АП и катастроф. Так среднее за период с 2001 по 2015 годы число АП и катастроф составило 13,9, а в 2017 году число АП - 15, число катастроф - 6. На рисунке 1. 1 приведены значения относительных показателей безопасности полетов

(среднее число АП и катастроф на 100 тыс. часов налета) ВС коммерческой авиации в РФ и США.

Л

ч 2 « ^ 2

3 & ° §

с к

з К К

3 £ к о

£ и

4 О

ы 5

о ° О и К ю н О

0,8 0,7 0,6 0,5 Т 0,4 0,3 0,2 0,1 0

АП в РФ

Катастрофы в РФ АП в США Катастрофы в США

0,51

0,24

п-1-1-1

2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

годы

—>

Рисунок 1.1 - Относительные показатели безопасности полетов воздушных судов

коммерческой авиации

Как видно, среднее число катастроф на 100 тыс. часов налета в РФ за период с 2007 по 2013 годы практически соответствует уровню АП в США. При этом, как показано в [216], в РФ большее число АП заканчивается катастрофами и в них гибнет большее количество людей, причем данный факт наблюдается на фоне большей аварийности в ГА РФ. На рисунке 1.2 приведены данные по основному глобальному мировому показателю безопасности полетов, принятому ИКАО. В период с 2013 по 2017 годы относительное число АП на 1 млн. регулярных коммерческих воздушных перевозок на ВС с максимальной взлетной массой более 5700 кг в РФ ниже среднего по ИКАО. Однако, в странах-членах ИКАО за рассматриваемый период наблюдается устойчивая тенденция к снижению числа АП, тогда как в РФ отмечается некоторая неравномерность значений этого показателя, даже не смотря на то, что за 2016, 2017 годы уровень БП в РФ при

выполнении регулярных пассажирских перевозок ниже чем в целом в странах-членах ИКАО.

2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017

годы ^

Рисунок 1.2 - Относительное число авиационных происшествий (на 1 млн. регулярных вылетов)

Анализ причин АП и катастроф, приведенный в [2,10,11,25,157,165,212], за период с 2001 по 2018 годы свидетельствует о высокой доле АП и катастроф (9%) по причине метеоусловий, к которым экипаж не был подготовлен (см. рисунок 1.3). Достаточно высокий процент АП и катастроф наблюдается по причине ОАМЯ (обледенение, турбулентность, грозы, сдвиг ветра). На рисунке 1.4 приведены результаты анализа причин АП, имевших место при аэронавигационном обеспечении полетов. Из них около 80 % АП приходится на ОАМЯ. Изучение данных, изложенных в отчетах МАК [165,212] за период 2012-2014 годы, показывает (см. рисунок 1.5), что в 25% расследованных АП метеорологические условия повлияли на исход полета, при этом в 11% отчетов об АП вообще не указано влияние метеорологических условий на исход полета, а в 3% случаев это влияние точно не определено.

В целом, еще раз подтверждается тот факт, что метеоусловия полетов оказывают существенное влияние на БП, причем БП зависит не только от метеоусловий, но и от качества МОП. Например, анализ АП в РФ [11,157,165] показывает, что причинами около 9% АП являются недостатки МОП (см. рисунок

1.6). Выделение и анализ АП, связанных с нарушениями метеоминимума в отдельную группу (см. рисунок 1.7), показал, что вплоть до 25 % АП связаны с недостатками МОП.

Неизвестно Птицы

Столкновение с препятствиями Опасное сближение Обледенение Попадание в зону грозовой..

Пожар на земле Отказы планера и систем ВС Пожар в полете Метеусловия к которым эипаж не.. Потеря управления в полете Нештатное касание ВПП Недолет/Перелет Выкатывание Отказ СУ Столкновение с землей

Катастрофы АП

0 5 10

АП и катастрофы, %

15

20

—>

Рисунок 1.3 - Основные причины, приводящие к авиационным происшествиям и катастрофам в РФ

Метеоусловия РТОП и АС Нарушения норм

эшелонирования

Рисунок 1.4 - Причины, определившие безопасность полетов при аэронавигационном обеспечении

54%

Рисунок 1.5 - Влияние метеоусловий на безопасность полетов

Рисунок 1.6 - Распределение авиационных происшествий по причинам их

возникновения

Рисунок 1.7 - Распределение авиационных происшествий по причинам, связанным с нарушением метеоминимума

Понятие регулярности полетов (РП) ВС ГА включает в себя понятие регулярности отправлений ВС и регулярности выполнения ими авиарейсов. РП характеризует не только работу авиакомпаний, но также качество всех видов обеспечения полетов. Регулярность полетов определяется рядом документов,

основным из которых является РРП ГА-90. В этом документе приводится классификатор нарушений РП и определяются основные причины задержек авиарейсов, к числу которых относятся неблагоприятные метеоусловия и недостатки в МОП.

РПП ГА-90 уже достаточно устарел и, в целом, не отражает того факта, что аэропорты и авиакомпании уже не являются единым структурным подразделением. РПП ГА также не учитывает сегодняшние экономические основы деятельности по обслуживанию авиаперевозок и уже не соответствует международным правилам учёта РП. В связи с этим, в действие введены следующие формы статистической отчетности авиапредприятий:

- «Об утверждении статистического инструментария для организации Росавиацией статистического наблюдения за деятельностью воздушного транспорта» (форма 30-ГА);

- «Об утверждении форм федерального статистического наблюдения для организации статистического наблюдения за деятельностью, осуществляемой в сфере транспорта и связи, на 2009 год» (форма 31-ГА).

Последствия нарушений РП касаются всех участников перевозочного процесса, в частности:

- авиакомпаний, для которых сбой в РП грозит немалыми финансовыми потерями и репутационным рисками;

- аэропортов, для которых нарушается технологический процесс обеспечения процедур подготовки авиарейсов к вылету и приема ВС;

- пассажиров, которые несут моральные и материальные издержки.

В современной мировой практике вместо понятия «регулярность полетов» часто используется понятие «пунктуальность полетов», под которым также понимается отправление и прибытие авиарейсов в установленный интервал времени, относительно времени, указанного в расписании и/или в договоре на перевозку. В таблице 1.1 приведены данные о задержках рейсов российских авиакомпаний в 2017 году.

Таблица 1.1 - Рейтинг пунктуальности российских авиакомпаний

Место Авиакомпания Всего Задержано/ Время задержки, час

рейсов процент задержек >2 >3 >4 >5 >6

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 Оренбуржье 2059 19/1 5 6 2 3 3

2 ЮТэйр 22081 222/1 80 34 22 24 62

3 Северсталь 2318 29/1,2 12 7 1 1 8

4 Аэрофлот 65027 1045/1,6 548 205 119 51 122

5 Победа 6709 109/1,6 29 36 32 5 7

6 РусЛайн 6246 97/1,5 45 17 10 7 18

7 Ижавиа 1606 22/1,3 5 4 4 3 6

8 Ямал 7573 136/1,8 50 23 21 10 32

9 87(Сибирь) 23068 538/2,3 256 112 70 32 58

10 ЮВТ Аэро 2117 46/2,2 20 5 6 2 13

11 Россия 20648 511/2,47 158 86 98 55 114

12 Хабаровские авиалинии 840 22/2,6 11 2 1 0 8

13 Газпромавиа 1889 64/3,4 32 10 11 3 8

14 Глобус 8028 274/3,4 128 62 29 21 24

15 Аврора 7309 238/3,2 86 66 21 17 48

16 Турухан 1604 59/3,6 25 14 9 6 5

17 Комиавиатранс 1317 50/3,8 12 16 7 1 14

18 НордСтар Эйрлайнс (Таймыр) 3115 156/5 70 35 24 7 20

19 Ангара 2836 125/4,4 32 23 15 19 36

20 ИрАэро 3475 204/5,8 97 41 27 9 30

21 АЛРОСА 3078 178/5,8 65 37 22 21 33

22 КрасАвиа 2572 202/7,8 93 60 19 16 14

23 Саратовские авиалинии 3426 224/6,5 74 52 26 17 55

24 Полярные авиалинии 1747 109/6,2 33 19 14 11 32

25 Нордавиа 3576 233/6,5 47 46 48 43 49

26 Уральские авиалинии 17274 1563/9 813 377 179 82 112

27 Ред Вингс 4077 337/8,3 105 65 62 27 78

28 Северный ветер 3943 409/10,4 168 110 45 21 65

29 Якутия 4066 504/12,4 132 66 54 41 211

30 Азур Эйр 118 16/13 4 5 1 1 5

31 Икар 679 158/23 48 29 25 27 29

32 ВИМ-авиа 2729 626/22 154 97 107 74 194

В таблице 1.1 учитывались рейсы с отставанием от графика не менее, чем на 2 часа (минутные задержки никто не считает). Кроме этого, в представленных

сведениях о задержках не указывается их причина. Вместе с тем, метеоусловия и качество МОП оказывают существенное влияние на РП ГА. Анализируя данные таблице 1.1 можно предположить, что для ряда региональных авиакомпаний (НордСтар Эйрлайнс (Таймыр) (5%), Ангара (4,4%), Ираэро (5,8%), Полярные авиалинии (6,2%), Нордавиа (6,2%), Северный ветер (10,4%), Якутия (12,4%) и др.) основной причиной задержек рейсов являются именно метеоусловия.

В [12,190] приводятся данные о степени влияния метеорологических явлений на РП. Наибольшее влияние на РП (см. рисунок 1.8) оказывают снег, низкая видимость, ветер и грозы. Отмечается, что 8,9% задержек авиарейсов связаны с не качественным метеопрогнозом.

Кроме этого, только по официальным данным [2,7-9], ежегодно по причине неоправдавшихся метеопрогнозов не на аэродромах назначения совершают вынужденные посадки десятки ВС (см. рисунок 1.9). Конечно, по сравнению с общим количеством обслуженных АМТКР авиарейсов это немного, но учитывая цены на авиационное топливо, затраты на аэронавигационное обслуживание и др., это выливается в финансовые и репутационные потери для авиакомпаний, моральные и материальные издержки для пассажиров.

35 30

I 25 20

я 15

о 15

С 10 5 0

Рисунок 1.8 - Степень влияния метеорологических явлений на регулярность

полетов

0

2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018

годы ^

Рисунок 1.9 - Количество посадок воздушных судов не на аэродромах назначения по причине неоправдавшихся метеопрогнозов

Анализ РП подробно проводился в ряде работ, например в [136,137]. Однако, в них практически отсутствуют данные об авиарейсах, отложенных по метеоусловиям, в том числе и тех, которые угрожают БП, и полностью отсутствуют данные о причинах задержек, связанных с недостатками в МОП. Влияние качества МОП на РП можно оценить лишь косвенно. Причина отсутствия сведений о влиянии качества МОП на РП очевидна. Синоптик АМСГ несет личную ответственность за составленный прогноз погоды, поэтому зачастую дает худший прогноз, чем ожидается на самом деле. Получив такой прогноз КВС, скорее всего, примет решение о задержке вылета. Если же КВС принял решение на вылет, то всю ответственность за это решение он берет на себя.

Зависимость БП и РП от метеоусловий и качества МОП подтверждают данные опросов [8], в которых указывается, что 89-95% летных экипажей, работников аэродромных служб, специалистов аэродромных органов ОрВД и работники РЦ ЕС ОрВД отмечают высокую степень зависимости ГА от метеоусловий и качества МОП. При этом члены летных экипажей ВС и эксплуатанты, работники аэродромных служб и служб УВД в целом едины во мнении о степени влияния конкретных метеорологических явлений на БП и РП, на рисунке 1.10 представлены результаты опросов по пятибалльной шкале.

5 4

2 3

4 А

5 1 о

т 2 1 0

111111111

БП РП

Рисунок 1.10 - Метеорологические явления, влияющие на безопасность и

регулярность полетов

Высокий уровень аварийности по метеофакторам и факторам МОП требует проведения глубокого и всестроннего анализа системы МОП в РФ.

1.2. Проблемные аспекты метеорологического обеспечения полетов гражданской авиации в Российской Федерации

В целях дальнейшего обоснования научной проблематики, затронутой в диссертации, коротко остановимся на организации МОП в РФ.

В соответствии с ФЗ №113 «О гидрометеорологической службе» предоставление метеорологической информации ее потребителям в Российской Федерации возлагается на Росгидромет. Учреждением, предоставляющем официальную метеоинформацию и осуществляющим МОП ГА по российским и международным авиалиниям является ФГБУ «Авиаметтелеком Росгидромета» (АМТКР).

Основывающиеся на федеральных законах, постановлениях Президента и Правительства РФ нормативные акты федеральных органов исполнительной власти в области МОП ГА устанавливают права и обязанности субъектов

отношений в сфере МОП. Среди указанных актов, регулирующих деятельность ГА, следует отметить ФАП «Подготовка и выполнение полетов в ГА РФ» (ФАП-128) [203].

В ФАП-128 определяется метеорологическая информация, которая должна быть у КВС и которую он может затребовать от метеослужб, а также требования к экипажу по выполнению полетов в условиях визуальной видимости, полетов по приборам, полетов в особых условиях, по наблюдению за метеорологической обстановкой в полете и т.д. ФАП-128 определяет перечень ОАМЯ.

Особенностью ФАП-128 является то, что он определяет, помимо официального источника метеоинформации (АМТКР), другие источники метеоинформации, которые могут быть использованы экипажами ВС. При этом КВС предоставляется право самостоятельного выбора источника метеоинформации, который он посчитает достоверным. Излишне говорить, что в ФАП-128 не приводится никаких критериев этой «достоверности». Не определяются они и другими документами. Кроме этого, в соответствии с российским законодательством любой субъект вправе быть соискателем лицензии на предоставление метеоинформации авиационным пользователям [211].

Введение в ФАП-128 этой нормы привело к тому, что авиакомпании, как правило региональные, а также пилоты-любители стали отказываться от метеоинформации, предоставляемой АМТКР и предпочитают получать ее на безвозмездной основе из сети Интернет. Основными поставщиками такой метеоинформации в настоящее время являются зарубежные провайдеры (SITA, Jeppesen, Lido, JetPlanning и др.). Здесь уместно сказать, что отчечественные и иностранные метеосервисы, в настоящее время конкурируют между собой не в достоверности и целостности метеоинформации, а в ее наглядности и простоте восприятия авиационными пользователями.

Структурно АМТКР включает в себя 15 филиалов, образующих на территории РФ сеть подразделений, осуществляющих метеообеспечение в интересах авиационных пользователей.

Непосредстенно работы по метеообеспечению полетов осуществляют (рис.1.11) [7,28,150,204]:

- авиационные метеорологические центры (АМЦ);

- авиационные гражданские метеостанции с синоптической частью (АМСГ I, II, III разряда) и без синоптической части (АМСГ IV разряда);

- оперативные группы (ОГ).

АМСГ являются узловым элементом структуры МОП и обеспечивают авиационных потребителей метеоинформацией в объеме, предусмотренном ФАП-60. Как показано на рисунке 1.11, АМЦ и АМСГ получают метеоинформацию от других метеорологических органов [142,143,150,175,204]:

- зональных и региональных метеорологических центров прогноза (ЗАМЦ, РЦЗП);

- главного авиаметеорологического центра (ГАМЦ);

- двух всемирных центров зональных прогнозов (ВЦЗП);

- девяти консультативных центров по вулканическому пеплу (VAAC);

- семи консультативных центров по тропическим циклонам (TCAC).

Важнейшую информацию для составления метеопрогнозов и метеосводок по

аэродромам, маршрутам и районам полетов АМСГ получают от Росгидромета по автоматизированной системе передачи информации (АСПД), а также от метеорологических РЛС (ДМРЛ-С, ДМРЛ-10, МРЛ-5) и спутниковой метеорологической сети. Кроме этого, АМСГ могут непосредственно получать метеоинформацию от аэрологических станций радиозондирования атмосферы (АЭ), которые располагаются в непосредственной близости от аэродрома (как правило, на удалении около 10 км от контрольной точки аэродрома).

МОП ГА на конкретном аэродроме осуществляется в соответствии с разработанной аэродромным метеорологическим органом (АМЦ, АМСГ) инструкцией, содержащей сведения о: метеорологических наблюдениях, сводках, авиационных прогнозах погоды и предупреждениях, а также их периодичности [188,204] (см. таблицу 1.2); способах и средствах предоставления метеорологической информации; порядке получения донесений с борта ВС об

ОАМЯ; размещении метеорологического оборудования на аэродроме и смежных АМСГ (АМЦ, ОГ) и др.

Ап ИОДПИ р д гтрти фн.ТБЯ.ТЛ

«Лваиксггатапп! РаЕгщрши»

ВЦЗП.ЩЗП.ГАМЦ. ¿эрапдпг-и ЗИ£ с^ть,

1 спутноюшя ШЕПОЕ^КЕЕ

Рисунок 1.11 - Примерная структура филиала «Авиаметтелеком

Росгидромета»

Необходимо отметить, что МОП для аэродромов, расположенных в различных географических районах, имеет ряд отличительных особенностей. В Приложении А приведены сведения об особенностях МОП в различных географических районах РФ (районах Крайнего Севера и Арктики, приморских и горных районах) и на различных высотах полетов ВС (на малых, средних, больших высотах и в стратосфере).

На рисунке 1.12 представлена обобщенная схема взаимодействия АМСГ (АМЦ), органов УВД, экипажей ВС и аэродромных служб при выполнении и обеспечении полетов. Метеорологическая информация предоставляется [204]:

экипажам ВС и эксплуатантам; органам УВД; аэродромным службам, обеспечивающим полеты ВС.

Таблица 1.2 - Предоставление метеорологической информации

Метеоинформация Источник метеоинформации/орган-распространитель метеоинформации Орган-получатель метеоинформации Периодичность

METAR АМСГ/АМЦ АДП, ДПП, РДЦ, 1 час

местные сводки типа ЦПИ

TREND

SPECI АМСГ/АМЦ АДП, ДПП, РДЦ, при наличии

местные ЦПИ основании

специальные сводки

типа TREND

TAF АМСГ/АМЦ АДП, ДЛИ, РДЦ, ЦПИ 3 или 6 часов

Предупреждения по АМСГ/АМЦ АДП, ДИП, при наличии

аэродрому аэродромные службы оснований

Прогнозы ветра и АСПД Росгидромета (от АДП, ДПП 6 часов

температуры воздуха ВЦЗП)

Прогнозы особых АСПД Росгидромета (от АДП, ДПП 6 часов

явлений погоды на ВЦЗП)

маршруте

SIGMET AIRMET АСПД Росгидромета АДП, ДПП, РДЦ, ЦПИ при наличии оснований

Предупреждение и АМСГ/АМЦ АДП, ДПП, РДЦ, при наличии

оповещение о сдвиге ЦПИ оснований

ветра

Консультативная АСПД Росгидромета АДП, ДПП при наличии

информация о (от ТСАС) оснований

тропических

циклонах

Консультативная информация о АСПД Росгидромета (от VAAC) РДЦ, ЦПИ при наличии оснований

вулканическом

пепле

Метеоинформация, включающая в себя прогностические карты ветра и температуры на эшелонах полета ВС, карты ОАМЯ и др., предоставляется экипажам ВС диспетчером УВД и аэродромной метеослужбой (АМЦ, АМСГ) [28,150,204].

Рисунок 1.12 - Схема взаимодействия АМСГ с потребителями метеорологической информации

Экипажам ВС может быть предоставлена по запросу дополнительная метеоинформация о состоянии атмосферы на высотах и маршрутах полета ВС. В воздухе экипажи ВС, получают метеоинформацию по системам ATIS или VOLMET, а также через орган УВД [204]. Эта информация содержит в себе [28,107109,188]:

- непрерывные передачи (сводки METAR, прогнозы TREND);

- регулярные передачи (сводки METAR и SPECI, прогнозы TREND, TAF, SIGMET).

На сегодняшний день количество подразделений АМТКР и их плотность не могут обеспечить растущие потребности авиации в качественных метеопрогнозах как по аэродрому, так и по маршрутам и районам полетов ВС. Этим, в основном, и объясняется то, что экипажи ВС отдают свои предпочтения не официальным источникам метеоинформации, а другим, подчас зарубежным, метеопровайдерам. Предоставляемая АМТКР метеоинформация носит достаточно фрагментарный

характер. Так, например, экипаж ВС может получить информацию о фактической погоде в аэропорту вылета Норильск и в аэропорту прилета Нижневартовск, а на маршруте полета достоверная метеоинформация может практически отсутствовать.

Серьезная проблема Росгидромета состоит в том, что АМТКР оказался в современных реалиях практически неконкурентоспособным из-за:

- недостаточной технической оснащенности АМСГ новыми средствами метеоизмерений и наблюдений;

- устаревших технологий предоставления метеоинформации, не позволяющих авиационным потребителям получать ее своевременно;

- недостатка в квалифицированных метеорологах АМСГ.

Все это связано, прежде всего с:

- сокращением количества АМСГ (ОГ) или ликвидацией, имеющиейся в их составе синоптической части;

- сокращением и моральным старением оборудования аэрологической сети Росгидромета, которая является основным источником информации о состоянии атмосферы на маршрутах полетов ВС;

- отсутствием разветвленной сети МРЛС;

- старением и сокращением сети наземных метеорологических станций;

- недостаточным использованием данных спутниковой метеорологической

сети.

Официальные данные, представленные АМТКР [7], позволяют сделать вывод о достаточно существенном сокращении количества его подразделений в последние десять лет. Так, в период с 2010 по 2018 гг. количество подразделений АМТКР (АМСГ, ОГ) сократилось на двадцать семь (см. рисунок 1.13). Следует учитывать тот факт, что практически ежегодно часть АМСГ I, II и III разрядов переводятся в АМСГ IV разряда, в составе которых отсутствует синоптическая группа. Так например, только за 2018 год синоптической группы лишились семь АМСГ, в 2017 в АМСГ IV разряда было переведено восемь подразделений АМТКР.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Болелов Эдуард Анатольевич, 2021 год

- /

- /

- /

- 41 ЖА ГЛ ЮНАС :с, ар. 1С

- 4НКА ГЛОН АСС, 4 1НКА ( }ps, АР ШС

-

-

L a , м

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1,000

Рисунок 4.20 - Зависимость СКО ошибки оценивания высоты подъема РЗ от масштаба турбулентности атмосферы

% м/с

Рисунок 4.21 - Зависимость СКО ошибки оценивания скорости подъема РЗ от масштаба турбулентности атмосферы

Выводы по главе 4:

В ходе исследований, проведенных в 4 главе, были получены следующие основные научные результаты:

1. Предложен многоэтапный метод построения комплексных систем радиозондирования атмосферы.

2. Разработаны оптимальный и квазиоптимальный алгоритм комплексной обработки метеоинформации о профиле температуры до высот ~30-40 км, с возможностью обнаружения нарушений функционирования каналов передачи информации.

3. Предложена схема комплексной системы оптимальной обработки метеоинформации (КСОМИ).

4. Разработаны оптимальный и квазиоптимальный алгоритм комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда.

5. Предложена схема системы комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда (СКОИ ПК).

6. Разработаны методики, опирающиеся на методы статистического моделирования, оценки качества синтезированных алгоритмов и выполнен расчет точности и помехоустойчивости комплексной системы радиозондирования атмосферы.

На основе полученных результатов можно сформулировать следующие выводы:

1. Метод построения комплексных систем радиозондирования атмосферы, который предполагает последовательную реализацию следующих трех этапов:

- обоснование способа получения информации о пространственных координатах РЗ и состава информационной части системы комплексной обработки аэрологической информации;

- синтез алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации и информации о пространственных координатах радиозонда;

- оценку качества синтезированных алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации.

Реализация первого этапа связана с исследование погрешности измерения метеопараметров атмосферы при радиозондировании и определением степени влияния точности измерения метеопараметров на безопасность и регулярность полетов, а также с определением состава элементов информационной части системы комплексной обработки аэрологической информации. Выбор способа получения информации о пространственных координатах радиозонда во многом определяет аппаратно-программную реализацию радиозонда и базовой станции слежения.

Второй этап связан с выбором и обоснованием теоретической базы для синтеза алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации, корректной математической постановкой задачи синтеза алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации и решением задачи синтеза. Этот этап является основным для предлагаемого метода.

На третьем этапе осуществляется разработка методики оценки качества алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации, а также

выполняется моделирование (математическое или имитационное) и экспериментальная оценка качества алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации.

Метод был применен для разработки:

- комплексных алгоритмов обработки телеметрической информации о профиле температуры воздуха, как основного параметра атмосферы, используемого для прогнозирования значений метеопараметров атмосферы и ОАМЯ на маршрутах и в районах полетов ВС;

- комплексных алгоритмов обработки информации о пространственных координатах радиозонда, обеспечивающих решение задачи определения профилей параметров ветра и привязки измерений температуры и влажности к точке измерения в атмосфере.

2. В качестве теоретической базы для построения комплексной системы обработки метеоинформации была выбрана марковская теория оптимально комплексирования (МТОК). Выбор МТОК обусловлен теми же достоинствами данной теории, которые были сформулированы в гл. 3. Кроме этого, МТОК позволяет реализовать наиболее приемлемый вариант модернизации существующих систем радиозондирования без внесения изменений в конструкцию аэрологических радиолокационных систем типа МАРЛ-А, ВЕКТОР-М и РАМ-1.

3. Проведенный анализ погрешности измерения температуры позволяет выделить основные составляющие этой погрешности, влияющие на точность:

- динамическая погрешность измерений, обусловленная скоростью подъемом радиозонда в атмосфере с возможными резкими изменениями ее значения (значения динамической погрешности на высотах до 10 км могут составлять 1-1,5°С, а при резких «скачка» и «остановках» радиозонда погрешность может достигать ~4°С);

- радиационная погрешность измерения, обусловленная прямым и отраженным излучением Солнца и тепловым излучением поверхности земли. К причинам, вызывающим радиационную погрешность, можно отнести

собственное излучение поверхности датчика температуры и тепло, выделяемое при прохождении электрического тока через датчик. Значение радиационной погрешности зависит существенно от времени суток и на высотах до 10 км может достигать ~1,5°С;

- погрешность, обусловленная смачиванием поверхности датчика температуры. Данная погрешность вносит существенный в клад о ошибку измерений на высотах до 5 км, а в отдельных случаях может оказывать влияние до высот 7-8 км;

- погрешность, обусловленная обледенением поверхности датчика температуры. Обледенение датчиков радиозонда наблюдается чаще всего на высотах 3-4 км. После образования льда на поверхности датчика его температура становиться ниже температуры воздуха. Погрешность при этом может составлять -1,5°С;

- погрешность, вносимая нарушениями в канале передачи измеренных значений метеопараметров атмосферы. Эта погрешность может вносить наиболее значимый вклад в ошибку измерений метеопараметров атмосферы. Причиной нарушений в канале передачи могут быть помехи, отказы цифровых устройств передачи информации, эксплуатационные перегрузки, сбои в работе аппаратуры радиозонда или базовой станции слежения.

Кроме этого, на достоверность полученных аэрологических данных влияет погрешность измерения пространственного положения радиозонда.

Повышение достоверности аэрологической информации, а следовательно, и оправдываемости метеопрогнозов на маршрутах и в районах полетов ВС связано с устранением или уменьшением степени влияния перечисленных факторов и погрешностей.

4. Использование алгоритмов комплексной обработки позволяет практически устранить погрешности, связанные с нарушениями в канале передачи метеоинформации (температуры и влажности) от радиозонда к базовой станции слежения и существенно снизить влияние ошибок в определении

профилей параметров ветра путем комплексной обработки информации о пространственном положении радиозонда.

Снижение влияния погрешностей, обусловленных динамикой подъема радиозонда, смачиванием и обледенением поверхности датчиков радиозонда, влиянием излучения Солнца и земной поверхности, может быть достигнуто путем введения расчетных поправок к измеренным значениям. Расчет этих поправок проведен в соответствии с методами теории массо-теплообмена. На сегодняшний день методика проведения таких расчетов существуют, однако в практике радиозондирования на сегодняшний день они практически не используются.

5. Особенностью постановки задачи синтеза алгоритмов комплексной обработки информации о профиле температуры в комплексной системе радиозондирования атмосферы (КСРЗ) является то, что предложенные модели измерений метеопараметров атмосферы (температуры и влажности), учитывают:

- ошибки, отказы и сбои в каналах передачи информации, носящие, как правило, внезапный и самоустраняющийся характер;

- независимость каналов передачи информации.

6. Оптимальный алгоритм комплексной обработки профиля температуры получен на основе решения задачи синтеза методами МТОК. Практическая реализация оптимального алгоритма связана со значительными трудностями прежде всего вычислительного характера. Практическое внедрение КСРЗ на всей сети радиозондирования требует снижения ее стоимости и, как следствие, использования более простых, в смысле вычислительных затрат, квазиоптимальных алгоритмов комплексной обработки информации. Квазиоптимальные алгоритмы получены методом гауссовской аппроксимации соответствующей апостериорной плотности вероятности.

7. На основании синтезированного квазиоптимального алгоритма предложена схема комплексной обработки метеоинформации (КСОМИ). Структурная схема КСОМИ включает в себя:

- схему формирования экстраполированной оценки наблюдения;

- схемы комплексной обработки метеопараметров первого (СКОМ1) и второго радиоканала (СКОМ2);

- устройство вычисления оценки метеопараметров;

- схему управления и формирования признака нарушений функционирования радиоканалов, необходимой для реконфигурации КСОМИ и формирования признака отказа радиоканала.

Основной особенностью КСОМИ является наличие перекрестных связей между элементами схемы, в частности, той части схемы, которая обеспечивает вычисление оценки дискретных параметров и части схемы, вычисляющей оценку непрерывного процесса. Это обстоятельство обеспечивает получение адаптивной оценки вектора непрерывных параметров, что в свою очередь позволяет обеспечить качественное решение задачи оценки профиля температуры при нештатных (аномальных) условиях функционирования радиоканалов.

8. Опираясь на предложенную методику оценки качества алгоритмов комплексной обработки профиля температуры было проведено моделирование, результаты которого показали, что при отсутствии нарушений функционирования радиоканала среднеквадратическое отклонение (СКО) флуктуационной составляющей ошибки измерения температуры достигает стационарного значения -0,1°С, что соответствует требованиям к измерению температуры при радиозондировании. В штатных условиях функционирования КСОМИ определяет текущее состояние каналов телеметрии практически уже в начале выпуска РЗ. Так апостериорная вероятность состояния £01 (штатное функционирование РК1) составляет Р01« 0,9 уже в первые секунды выпуска.

При возникновении нарушений в радиоканале КСОМИ определяет момент времени возникновения этого нарушения и оценивает величину скачка измеряемого параметра. При возникновении серии нарушений, которые носят самоустраняющийся характер, КСОМИ также определяет моменты времени этих нарушений и оценивает величину скачков метеопараметра. Таким образом,

синтезированный алгоритм КСОМИ реагирует как на единичные нарушения функционирования радиоканалов, так и на серии таких нарушений любой продолжительности. При обнаружении нарушений в радиоканале КСОМИ блокирует поступление информации о недостоверном параметре атмосферы по данному радиоканалу и использует информацию от другого радиоканала.

Результаты моделирования позволяю сделать вывод об эффективности предложенного квазиоптимального алгоритма комплексной обработки информации о профиле температуры и его способности обеспечивать реконфигурацию информационной части КСОМИ в целях парирования возникающих нарушений в радиоканалах передачи информации.

9. Особенностью постановки задачи синтеза алгоритмов комплексной обработки информации о пространственный координатах радиозонда является то, что они инвариантны к средству подъема радиозонда и используют ретранслятор сигналов спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС/ОРБ, установленный на радиозонде.

Постановка задачи синтеза была сформулирована с учетом необходимости решения задач:

- уменьшения вероятности срыва при слежении за радиозондом в атмосфере;

- обеспечения помехоустойчивости КСРЗ при ее работе в условиях сложной помеховой обстановки и при малых отношениях сигнал/шум на входах приемных устройств базовой станции слежения;

- обеспечения требуемой точности определения пространственных координат радиозонда.

10. Синтез оптимальных алгоритмов комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда проводился на базе МТОК. Полученный алгоритм представляет собой двухэтапный алгоритм. На первом этапе по радиосигналам от всех видимых навигационных космических аппаратов спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/ОРБ определяются оптимальные оценки пространственных координат радиозонда и параметров его

движения. На втором этапе реализуется комплексная обработка информации о пространственных координатах радиозонда с использованием наблюдения от аэрологической радиолокационной станции.

На базе гауссовской аппроксимации апостериорной плотности вероятности вектора состояния осуществлен корректный переход к квазиоптимальным комплексным алгоритмам обработки информации о пространственных координатах радиозонда, которые также являются двухэтапными. На основе этих алгоритмов предложена схема системы комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда (СКОИ ПК), отличительной особенностью которой является наличие перекрестных связей между каналами обработки сигналов от различных навигационных космических аппаратов (НКА) на уровне первичной обработки радиосигналов. Это обеспечивает высокую помехоустойчивость, достоверность и точность, а также и позволяет проводить радиозондирование атмосферы даже в нештатных (аномальных) условиях функционирования ГЛОНАСС и GPS.

11. Методика оценки качества синтезированных алгоритмов комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда включает в себя оценку как потенциальных, так и фактически достижимых характеристик точности и помехоустойчивости.

Оценка потенциальных характеристик показала, что в штатных условиях функционирования СКОИ ПК (qc = 10-3) СКО ошибок оценивания высоты

подъема радиозонда группируются в области 0,5 м, а скорости подъема радиозонда в области 0,03 м/с. Существенного выигрыша от применения алгоритмов комплексной обработки в этой ситуации не наблюдается. При ухудшении помеховой обстановки значения СКО ошибок оценивания высоты подъема радиозонда увеличиваются, при этом наблюдается уже заметный выигрыш от использования комплексных алгоритмов. В варианте наиболее полной конфигурации СКОИ ПК (наличие сигналов 4-х НКА ГЛОНАСС, 4-х НКА GPS и данных АРЛС) значение СКО ошибок оценивания высоты подъема радиозонда составляет 1,35 м (при qc = 10-5), а скорости подъема - 0,25 м/с (при

= 10-5). Изменение варианта конфигурации СКОИ ПК (наличие сигналов 4-х НКА ГЛОНАСС и 4-х НКА GPS) приводит к увеличению значений СКО высоты и скорости подъема РЗ - 5,75 м и 0 0,95 м/с, соответственно.

Практика радиозондирования показывает, что параметры математических моделей полезных сигналов и помех, моделей движения РЗ в атмосфере в действительности изменяются в широком диапазоне своих значений из-за:

- изменения состояния атмосферы, в которой движется РЗ;

- нарушение нормального режима работы приемной аппаратуры СРНС и АРЛС КБСС, нарушение нормального режима работы аппаратуры РЗ;

- изменение условия распространения сигнала на трассе НКА-РЗ-КБСС;

- воздействие непреднамеренных, а возможно и организованных, помех в районе радиозондирования (до 200 км от места выпуска РЗ).

В работе был проведен расчет фактически достижимых характеристик качества функционирования СКОИ ПК РЗ для двух ее конфигураций - полной (4 НКА ГЛОНАСС, 4 НКА GPS и АРЛС) и сокращенной (4 НКА ГЛОНАСС и АРЛС).

Результаты моделирования позволяют сделать следует однозначный вывод - наибольший выигрыш от использования алгоритмов комплексной обработки информации о пространственном положении радиозонда наблюдается в случае, когда КСРЗ функционирует в условиях усложненной и сложной помеховой обстановки. Полученные результаты подтверждают аналогичные расчеты потенциальных характеристик, причем при использовании сигналов СРНС ГЛОНАСС и GPS обеспечивается снижение СКО ошибок оценивания высоты подъема РЗ на ~6 м, а скорости подъема - на ~0,5...0,6 м/с. При отсутствии сигналов СРНС, когда для определения пространственных координат радиозонда используются только данные от АРЛС, значение СКО ошибки оценивания высоты подъема радиозонда составляет около 30 м, что соответствует техническим характеристикам АРЛС типа МАРЛ-А, ВЕКТОР-М и РАМ-1.

12. Практика аэрологического радиозондирования показывает, что параметры математических моделей полезных сигналов и помех, моделей движения радиозонда в атмосфере в действительности изменяются в широком диапазоне своих значений из-за изменения состояния атмосферы по высотам зондирования.

Проведенные расчеты зависимости СКО ошибок оценивания высоты и скорости подъема радиозонда от состояния атмосферы показывают, что в условиях сильно турбулированной атмосферы (масштаб турбулентности достигает 1000 м и более) КСРЗ имеет явное преимущество. СКО погрешности оценивания высоты подъема РЗ изменяется в пределах -10,5.20 м для рассматриваемых конфигураций СКОИ ПК, а СКО погрешности скорости подъема РЗ в пределах -0,15.0,2 м/с. Следовательно, КСРЗ оказывается более устойчивой к изменению состояния атмосферы, чем штатная система радиозондирования.

Применение КСРЗ обеспечивает достоверность информации о состоянии атмосферы для задачи разработки метеопрогнозов на маршрутах и в районах полетов ВС и тем самым позволяет повысить уровень безопасности и регулярности полетов ВС.

Глава 5. Рекомендации по построению и концепция применения комплексных аэродромных мобильных метеосистем и комплексных систем радиозондирования атмосферы

Предложенный технический облик и проведенные теоретические исследования по разработке алгоритмического обеспечения аэродромных комплексов метеорологического обеспечения полетов и комплексных систем радиозондирования атмосферы позволяют сформулировать основные положения концепции их построения и применения.

5.1. Рекомендации по построению и концепция применения комплексных аэродромных мобильных метеосистем

Как показано в гл. 1, актуальность разработки комплексных систем МОП в мобильном варианте обоснована тем, что более 60% территории РФ относится к районам Крайнего Севера и приравненным к ним местностям, где авиация, зачастую, является единственным средством обеспечения транспортной доступности населения.

Руководящими документами определяется минимальный состав средств метеонаблюдений и измерений, который зависит от класса аэродрома [153,173,174,196,223]. В табл. 5.1 приведены сведения о минимальном составе метеооборудования для ВПП аэродромов точного захода на посадку по 1 категории и захода на посадку по приборам класса А, Б, В, Г, Д и Е. В табл. 5.2 приведены минимальные требования к ВПП аэродромов точного захода на посадку по 2 и 3 категории.

Очевидно, что приведенный минимальный состав метеооборудования не соответствует реально возникающим метеоугрозам и связанными с ними опасными факторами при проведении полетов. В указанный перечень не входят

радиолокационные и лидарные средства, средства измерения профилей метеопараметров атмосферы в районе аэродрома.

Таблица 5.1 - Минимальный состав метеооборудования аэродромов точного

захода на посадку по 1 категории

Метеооборудование ВПП точного ВПП захода на посадку по приборам

захода на А, Б, В Г Д, Е

посадку по 1

категории

Измерители- 6 (3 резервных) 6(3 - резерв) 4 (2 - резерв)

регистраторы МДВ, -

комплект

Щиты-ориентиры для одного для одного

видимости, направления направления

комплект взлета: 1 для двух направлений взлета: 2 взлета: 1 для двух направлений взлета: 1

Измерители ВНГО, 1 1 1 2(1 - резерв)

комплект

Дистанционные для одного для одного для одного

измерители ВНГО, направления направления направления

комплект взлета: 2 взлета: 2 взлета: 2

(1 - резерв) (1 - резерв) (1 - резерв) -

для двух для двух для двух

направлений направлений направлений

взлета 4 взлёта 4 взлета 4

(2 - резерв) (2 - резерв) (2 - резерв)

Измерители для одного для одного для одного для одного

параметров ветра, направления направления направления направления

комплект взлета: 2 взлета: 2 взлета: 2 взлета: 2

(1 - резерв) (1 - резерв) (1 - резерв) (1 - резерв)

для двух для двух для двух для двух

направлений направлений направлений направлений

взлёта 4 взлета 4 взлёта 4 взлета 2

(2 - резерв) (2 - резерв) (2 - резерв) (1 - резерв)

Измерители атмосферного 2 (1 - резерв) 2 (1 - резерв) 2(1 - резерв) 2 (1 - резерв)

давления, комплект

Измерители 1 1 1 1

температуры и

влажности воздуха,

комплект

В меньшей степени в метеорологическом отношении оборудованы аэродромы Д и Е класса, а также в вертолетные площадки. Эти аэродромы и вертолетные площадки составляют основу аэродромной сети региональной авиации.

Таблица 5.2 - Минимальный состав метеооборудования аэродромов точного

захода на посадку по 2 и 3 категории

Метеооборудование Количество направлений взлета (посадки) ВПП

одно два

Специализированная ЭВМ, обеспечивающая автоматическое 2 (1 резерв) 2 (1 резерв)

вычисление и выдачу на средства отображения текущей метеоинформации,

комплект

Первичные измерители МДВ, комплект 6 (3 резерв) 6 (3 резерв)

Первичные измерители ВНГО, комплект 2 (1 резерв) 2 (1 резерв)

Измерители ВНГО, комплект 1 1

Первичные измерители параметров ветра, 2 (1 резерв) 2 (1 резерв)

комплект

Первичные измерители атмосферного 2 (1 резерв) 2 (1 резерв)

давления, комплект

Первичные измерители температуры и 2 (1 резерв) 2 (1 резерв)

влажности воздуха, комплект

Проведенные в работе исследования показали, что из всего многообразия средств метеонаблюдений и измерений наиболее оптимальным является следующий минимальный состав метеооборудования аэродромов:

- аэродромная метеорологическая станция, в состав которой входят первичные измерители температуры и влажности воздуха, измерители атмосферного давления, измерители параметров ветра, измерители ВНГО и МДВ;

- аэродромная система радиозондирования атмосферы, в состав которой входит БСС и БМР;

- метеорологическая РЛС ближней аэродромной зоны (~100 км);

- ветровые лидары;

- температурный профилемер.

Данное метеооборудование, входящее в состав КАММС необходимо для решения задач оперативного МОП прежде всего на аэродромах классов Д, Е и вертолетных площадках.

КАММС должен выполняться в мобильном варианте, обеспечивающем доставку авиационным, автомобильным транспортом или своим ходом к месту установки. Варианты компоновки метеооборудования КАММС, выполняемой на базе автомобиля повышенной проходимости (типа КАМАЗ) и автомобиля типа «ГАЗЕЛЬ НЕКСТ» приведены на рисунке 5.1.

Антенная система МРЛС БЗ

а)

Антенная система МРЛС БЗ .Антенная система ТП \

б)

Рисунок 5.1 - Варианты размещения КАММС на автомобильном шасси

Возможные варианты размещения КАММС приведены на рисунках 5.2.5.4. На рисунке 5.2 на примере аэродрома Омолон (Чукотский автономный

округ) приведен вариант размещения элементов КАММС. Региональный аэродром Омолон способен принимать самолеты типа Ан-2, Ан-24, Ан-28, Як-40, Л-410 и вертолеты всех типов и имеет типовое метеооборудование для проведения метеонаблюдений на аэродромах класса Д. На рисунке 5.3 приведен вариант размещения элементов КАММС на аэродроме Костомукша (Карелия). Аэродром является региональным и способен принимать самолеты типа Ан-2, Ан-28 и вертолеты класса Ми-8 и ниже. Аэродром имеет типовое метеооборудование, состав которого определяется классом аэродрома (класс Е). На рисунке 5.4 на примере необорудованной аэродромной площадки Северные Коряки (Камчатка) представлен вариант размещения элементов КАММС для этого случая.

Конструктивно КАММС включает в себя:

- основной модуль (кузов автомобиля с установленным в нем метеооборудованием и АРМ метеоролога);

- метеооборудование, устанавливаемое на территории аэродрома в соответствии со схемой размещения.

Основной модуль КАММС с должен быть размещен на удалении 100-150 м от траверза точки центра ВПП. Такое расположение основного модуля КАММС связано с тем, что в нем размещена МРЛС БЗ, которая обеспечивает обзор пространства, обнаружение и измерение координат (контуров) и параметров перемещения метеорологических объектов, обнаружение и измерение координат (контуров) и параметров перемещения зон ОАМЯ в режиме ОБЗОР, а также получение информации о метеообстановке и метеорологических условиях полетов в секторах взлета и посадки ВС, выявления и предупреждения конфликтных ситуаций в условиях действия ОАМЯ в режиме СЕКТОР.

Рисунок 5.2 - Вариант размещения КАММС на аэродроме класса Д (аэропорт Омолон, Чукотский АО)

Рисунок 5.3 - Вариант размещения КАММС на аэродроме класса Е (аэродром Костомукша, Карелия)

Рисунок 5.4 - Варинат размещения КАММС на аэродромной посадочной площадке

(Северные Коряки, Камчатский край)

В состав основного модуля КАММС входит ТП, что обеспечивает измерение профиля температуры непосредственно в секторах взлета и посадки ВС. В случае необходимости существует принципиальная возможность размещения ТП на удалении от места установки основного модуля КАММС причем, как это показано на рисунке 5.4, высоты температурных инверсий совпадают [37,229].

Экспериментальные исследования профилей температуры позволили сделать еще один важный вывод. Погрешность отклонений высот нулевой изотермы (свыше 200 м по модулю) составила 12%, что позволяет использовать данные удаленного ТП в радиусе ~10 км от точки установки основного модуля для ввода значений нулевой изотермы в МРЛС БЗ.

1000 900 800 700 3 600 о 500

о

М 400 300 200 100 0

-1,5 -1,25 -1 -0,75 -0,5 -0,25 0 0,25 0,5 0,75 1 Температура, °С

Рисунок 5.5 - Результаты экспериментальных измерений профилей температуры в точках, разнесенных на расстояние до 10 км двумя ТП (МТП-5)

БСС аэродромной системы радиозондирования атмосферы располагается в основном модуле КАММС. БМР выпускается в месте, определенном инструкцией по аэродрому. Для обеспечения оперативных и достоверных данных о профиле температуры и влажности выпуски БМР должны

производится с периодичностью не менее 6 часов. Кроме этого, по мере необходимости выпуски БМР должны выполняться и в другие сроки. Следует отметить, что вместо выпусков БМР в основные синоптические сроки 0 и 12 часов по UTC могут быть использованы первичные аэрологические данные при условии размещения АЭ на удалении не более 10 км от аэродрома.

Выпуски БМР должны быть согласованы с органом УВД аэродрома.

В целях исключения фактов потери БМР измерения профиля температуры, влажности и параметров ветра не производятся, если:

- скорость ветра у поверхности земли превышает 15 м/с (крепкий ветер);

- наблюдаются осадки и грозовая деятельность в районе аэродрома.

Размещение ВЛ зависит от их типа. Если в составе КАММС используются

ВЛ типа ПЛВ-300, то он размещается на удалении 1000-1500 м от торца ВПП. При использовании ВПП с двумя направлениями взлета и посадки требуется включение в состав КАММС двух ПЛВ-300. Если в составе КАММС используется ИЛВ-5000, то он размещается вблизи основного модуля КАММС, при этом рабочая зона ИЛВ-5000 имеет форму окружности радиусом 5000 м и с центром в точке установки ИЛВ-5000. Возможен вариант, когда в состав КАММС входят оба типа ВЛ, однако, это увеличит стоимость КАММС и усложнит ее практическое внедрение.

Элементы АМС:

- измерители ВНГО;

- измерители параметров ветра;

- измерители температуры, влажности воздуха и атмосферного давления, устанавливаются на оговоренной инструкцией по аэродрому метеорологической площадке. При этом, измерители параметров ветра должны располагаться на метеомачтах высотой 6-10 м и на удалении не более 200 м от оси ВПП. На метеомачтах также располагаются измерители температуры, влажности и атмосферного давления. Измерители МДВ, из состава АМС, устанавливаются на удалении не более 120 м от оси ВПП.

Концепция построения и применения КАММС делает его основой для организации МОП на аэродромах, аэродромных площадках и вертодромах в районах Арктики, Крайнего Севера, Сибири и Дальнего Востока.

5.2. Рекомендации по построению и концепция применения комплексных

систем радиозондирования атмосферы

В гл. 2 рассмотрен технический облик перспективной КСРЗ и сформированы основные требования к ней. Теоретические исследования структуры перспективной КСРЗ и ее алгоритмического обеспечения требуют формулировки рекомендаций по ее построению и разработки основных положений концепции ее применения.

Как было показано в гл.4, в состав КСРЗ входит АРЛС, причем ее тип может быть любой. Предложенные алгоритмы комплексной обработки метеоинформации и их оценка проводилась применительно к современным АРЛС типа РАМ-1 и ВЕКТОР-М. Однако это не исключает использование в составе КСРЗ АРЛС типа МАРЛ-А.

Анализ предложенных в п. 4.4 алгоритмов и схем комплексной обработки информации показал, что наличие перекрестных связей между каналами обработки сигналов позволяет повысить помехоустойчивость системы и обеспечить достоверность ПК РЗ. Однако, с практической точки зрения, схема квазиоптимального алгоритма с совместной первичной обработкой радиосигналов (ССОС) имеет существенный недостаток, который заключается в низком модернизационном потенциале КСРЗ. Так при изменении состава совместно обрабатываемых навигационных сигналов за счет включения, например, сигналов СРНС Galileo, потребуется изменять структуру алгоритмов, реализуемых на уровне первичной обработки (первый этап обработки). Кроме

этого, дополнительное использование в составе КСРЗ других измерителей, кроме АРЛС, повлечет за собой значительные изменения в схеме СКОИ ПК.

В работе предлагается более простой и практически реализуемый вариант схемы СКОИ ПК, связанный с дальнейшим упрощением квазиоптимальных алгоритмов и предусматривающий проведение структурно раздельной КОИ на первичном уровне (первый этап) [38].

Суть предлагаемого варианта заключается в последовательном синтезе каналов обработки радиосигналов (КОС), на выходе которых формируются оценки параметров сигналов, т.е. псевдодальностей, псевдоскоростей и т.д., и алгоритмов совместной обработки выходных данных КОС и данных от АРЛС. Такой вариант предполагает двухступенчатую обработку информации. На первой ступени обработки информации получают оценки вектора РНП

пГ

в каждом канале, а вторая ступень

осуществляет преобразование совокупности РНП в навигационные параметры, т.е. пространственные координаты РЗ, составляющие вектора скорости и ускорения РЗ.

Динамику изменения компонент вектора РНП можно представить квазислучайным процессом:

Х- (0 = I,Х-о = ), г Е А + т), (5.1)

где: ^ - известная векторная функция, конкретный вид которой определяется

системой уравнений:

<Рр1 (0 = (Рр1к + (0-с/1ку, Асог(0 = Асо1к;

С

Щ - скорость НКА, пересчитанная на направление НКА-РЗ.

Полученные на основе решения уравнения Стратоновича и гауссовского упрощения АПВ алгоритмы оценки вектора РНП для каждого КОС могут быть представлены в виде:

X ('* I и+ту= \;к+к, (ч 11к+т)х;к% +ту 1к+т)={ъг\1к)-х;к%(1к+т)У,

(5.2)

4 +Т

где: Т;(4+Г)= |

эр (т, у;)'

эх

йт

первая производная логарифма

и +т

функционала правдоподобия; = |

~ э " т ЭР; (Т, Ук )"

I5у; \ _ эх;

йт - вторая

производная

логарифма

эь, (х;)"

эх:

функционала правдоподобия;

^г ('к I 'к + Т) - матрица центральных

моментов второго порядка ошибок оценивания компонент вектора РНП; X: -оценка вектора состояния в момент времени гк, получаемая в результате совместной обработки наблюдений З(^) и {tk_l\tk_l+тy, - матрица центральных моментов второго порядка ошибок оценивания компонент вектора Хк, которые являются результатом совместной обработки наблюдений З(^) и

у:

;(+ т); ук = ь (хк).

= ■ логариФм Функционала

правдоподобия.

Алгоритм оценки параметров л, как и ранее, представляется в виде:

Рг (гк + Т,Л = т 1 Хк ) = СРг (г; Лш = т 1 ук ) ехр | р (^ У.; = т ) йт

4 +Т

V 'к

(5.3)

где: С - постоянный множитель, определяемый из условия нормировки.

Выражения (5.2) и (5.3) представляют собой первый этап комплексной

обработки. Разложив р (т,у;) на шумовую и сигнальную составляющие и

учитывая, что вектор РНП не содержит энергетических параметров радиосигналов квазиоптимальный алгоритм (5.2) можно записать в виде:

г

к

г

к

х* (ч I ч+т)=хк-к, I ч+(ч++К/ (ч I ч+^кп, &+у), (5.4)

2

4 +Т

где: + =

'к

' дБ^Цт, у;,))'

ау

¡к

П

, (г) йг

первая производная

шумовой составляющей логарифма функционала правдоподобия;

2

и+т

п(<»+г)=— 1

I ¿к

д

ау

1к

ау

1к

^(гД^Х*))^ " вторая

производная сигнальной составляющей логарифма функционала правдоподобия; Ек = Ц. (Хк)- Ц. (Хк) - вектор ошибок оценивания компонент вектора РПН.

Случайный и являющийся векторным, процесс (¡к + Т) распределен по

нормальному закону с нулевым математическим ожиданием и матрицей центральных моментов второго порядка:

б; + т)=м {%к + т)ч% (ч + г)} =

/ ~ л

V N J 'к

' 4 +Т

I

а^(гД(г,у;))'

ау

а^г(гД(г,у;))'

ау

йг,

(5.5)

Рассматривая оценки у* (^ | ^ + Т) в качестве наблюдений и учитывая

данные АРЛС, можно записать алгоритмы комплексной обработки на втором этапе в виде:

Х к+1 ~ Хэ + 1

зл+1 - НЛ+1ХЭ - ФЕЕ

К*+1 = [Фхх^Фнх + Вщ][ФахК*Ф£х +ВЕЕ]-1, к к+1 = [ф XX* к ФХх + В XX ]- К к+1 [ф XX* к Ф^Х + В ХЕ где: Xэ = ФХХX *к + Тик - экстраполированная оценка вектора состояния на момент времени ;

(5.6)

1РШ = Вк+1Хк + + Ек+1 = НА+1ХА+1 + ЕА+1;

Т

Т

Ек+1 = ФееЕ, + ГЛ,;

Хт (4 | ч + т),...,Y;т (4 | ч + т)]т; N = ,...,N

в

в

рк+1

г к+1 =

т к+1 "

Г

(ч+г)ь; (х; )Т +г)ь; (х;)

Б

+

Г

(ч I +т)Кк% (ч + т)ц (х;)х;

; Вх» = Г о г хГХН т (гк+1)

+

ф =

Фнх

В

Н ( Ч+1 ) ФXX - ФЕЕН ( Ч )

В

хн

Г Г

1 к+1А к+1

0

о Н ( ?к+1) 1нт (ч+ + ГеГ

Г+1 - блочная диагональная матрица, составленная из матриц нижних треугольных матриц Гг. (Ч + т, Ч), элементы которых определяются значениями матриц Б'(Ч + т) [38]; ^ - векторы независимых нормальных случайных величин с нулевыми математическими ожиданиями и единичными дисперсиями; Фхх, Т, Гх - фундаментальная матрица, переходная матрица управления и возмущения, соответственно.

Обобщенная структурная схема СКОИ ПК, реализующая алгоритмы (5.2), (5.3), (5.4), и (5.6) представлена на рисунке 5.6. Схема СКОИ ПК включает в себя:

- каналы обработки сигналов (КОС1-КОО);

- схему управления структурой (СУС);

- устройство комплексной обработки информации (УКВОИ).

В КОС на основании алгоритмов (5.2) осуществляется формирование первых и вторых производных логарифма функционала правдоподобия, вычисление (^ | ^ + т), которые используются в УКВОИ, наряду с

Рисунок 5.6 - Структурная схема системы комплексной обработки информации о пространственных координатах РЗ

(со структурно раздельной обработкой сигналов СРНС)

данными от АРЛС Ек+1, для получения оценок вектора состояния в

соответствии с (5.2).

В КОС входят многомерный дискриминатор (МД), корреляционный приемник (КП), а также СВВ и СС. Оценка параметра отказа Л*к , определяемая в

каждом КОС, поступает на СУС. Управление структурой осуществляется аналогично ССОС.

Отличительной особенностью схемы, представленной на рисунке 5.5 является отсутствие перекрестных связей между КОС, однако достоинства комплексирования сигналов на уровне их первичной обработки сохраняются. Это объясняется тем, что формирование опорных сигналов в УФОС и ГС производится на основе оценок параметров, являющихся результатом комплексной обработки ретранслированных сигналов СРНС и данных АРЛС. Существенным достоинством схемы, представленной на рисунке 5.5, является также отсутствие схем формирования оценок X*(+ Т) и расчета значений матриц Яг.(гк\гк + Т), а

также отсутствие схем, выполняющих операции весового суммирования. Все вычислительные операции, включая преобразования координат, выполняются на вторичном уровне в УКВОИ. Это позволяет создавать унифицированные КОС и облегчает практическую реализацию полученных алгоритмов СРЗ.

В соответствии с методикой, изложенной в гл.4, был проведен расчет характеристик точности и помехоустойчивости схемы, представленной на рисунке 5.5. Методика расчета потенциальных характеристик помехоустойчивости и точности схемы со структурно раздельной обработкой радиосигналов аналогична, при этом для выполнения расчетов используются выражения (5.2)-(5.6).

На рисунках 5.7 и 5.8 представлены зависимости СКО ошибок оценивания высоты и скорости подъема РЗ для различных схем построения СКОИ ПК, а именно, для схемы с совместной обработкой сигналов СРНС (ССОС) и схемы со структурно раздельной обработкой сигналов СРНС (ССРОС).

м

с

0 40 80 120 160 200

Рисунок 5.7 - Зависимости СКО ошибок оценивания высоты подъема РЗ для различных схем построения СКОИ ПК

^ , м/с

0.30

0.20

0.10

0.00

1, с

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Рисунок 5.8 - Зависимости СКО ошибок оценивания скорости подъема РЗ для различных схем построения СКОИ ПК

На рисунках представлены три семейства графиков для различных вариантов помеховой обстановки в каналах СРНС. Анализ представленных зависимостей показывает, что в штатных условиях функционирования СРНС переход от ССОС к СРОС не приводит к существенному ухудшению качества функционирования СКОИ ПК, при этом графики зависимостей СКО ошибок оценивания высоты

подъема РЗ совпадают для обеих схем, а для СКО ошибок оценивания скорости подъема РЗ наблюдается лишь небольшое снижение точности оценивания.

В случае усложненной помеховой обстановки различия, как и следовало ожидать, между ССОС и СРОС становятся более заметны и приводят к дальнейшему ухудшению точности определения ПК скорости движения РЗ в атмосфере, при этом различие в значениях СКО ошибок оценивания высоты подъема РЗ все же незначительно и составляет 0,2-0,3 м, а для СКО ошибок оценивания скорости подъема РЗ - 0,12-0,13 м/с.

Представленные зависимости свидетельствуют о том, что использование ССРОС является более предпочтительным и при этом не наблюдается существенного ухудшения точности оценивания компонент вектора состояния

X (').

КСРЗ конструктивно может быть выполнена в стационарном и мобильном вариантах. Общие вопросы применения систем радиозондирования атмосферы регламентируются [152].

Стационарная КСРЗ устанавливается на местности, как правило, на территории уже существующих АЭ. Это связано с тем, что КСРЗ являясь принципиально новой системой, использует в своем составе существующие АРЛС (МАРЛ-А, ВЕКТОР-М, РАМ-1 и др.).

Площадка для установки антенных систем КСРЗ должна быть ровной и обеспечивать хороший обзор, углы закрытия горизонта не должны быть более 3°. Место расположения КСРЗ должно исключать влияние помех от радиотехнических систем и линий радиосвязи в диапазонах работы системы (403 МГц и 1680 МГц). Также место размещения КСРЗ должно минимизировать уровень помех от промышленных предприятий, линий электропередач, силовых установок и др.

В соответствии с требованиями [152] АЭ, оснащенная КСРЗ, должна иметь (см. рисунке 5.9):

- метеооборудование для проведения наземных метеонаблюдений и измерений;

- оборудование для генерирования и наполнения ЛГО водородом (или гелием);

- средства связи.

Основное оборудование КСРЗ должно располагаться в служебном здании, удовлетворяющем нормам безопасности и санитарным нормам.

Рисунок 5.9 - Вариант размещения КСРЗ на территории АЭ

На территории АЭ должна быть предусмотрена площадка, диаметром не менее 20 м для выпуска РЗ. В районе площадки должны отсутствовать препятствия и предметы, которые могут вызвать затруднения при выпуске РЗ.

Антенная система РК1 (403 МГц) устанавливается на территории АЭ на удалении не более 100-150 м от служебного здания. Это расстояние определяется длинной радиокабеля и отсутствием препятствий приему ретранслированных радиосигналов СРНС от РЗ. Крепление антенной системы РК 1 осуществляется при помощи растяжек. Возможна установка антенной системы РК1 на крыше служебного здания, если это не препятствует размещению антенной системы АРЛС.

Антенная система АРЛС (РК2) располагается, как правило, на крыше служебного здания, таким образом, чтобы площадка выпуска РЗ хорошо просматривалась. Расстояние от служебного здания до площадки выпуска должно быть не менее 100-150 м. Это требование определяется импульсным режимом работы АРЛС и позволяет захватить сигнал РЗ и устойчиво сопровождать его уже с нулевой высоты точки выпуска. Вопросы установки, настройки и подготовки АРЛС к работе подробно рассмотрены в [152].

Результаты проводимых с помощью КСРЗ аэрологических измерений включают в себя три группы данных:

- данные на стандартных изобарических поверхностях: 1000, 925, 850, 700, 500, 400, 300, 250, 200, 150, 100, 70, 50, 30,20,10, 5 гПа;

- данные на стандартных высотах над поверхностью Земли (0,3; 0,6; 0,9 км) и над уровнем моря (0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 км и далее через 1 км до конца подъема радиозонда);

- данные на высотах особых точек, соответствующих резким изменениям (изломам кривой) в вертикальном распределении температуры, влажности, скорости и направления ветра.

Мобильный вариант КСРЗ может размещаться вблизи аэродромов для решения задач метеорологического обеспечения полетов (см. рис. 5.2 и рис.5.3).

Мобильный вариант КСРЗ, как правило, размещается на базе автомобиля и не имеет существенных отличий от варианта размещения КАММС на автомобильном шасси (см. рисунке 5.10). В мобильном варианте выполняется система радиозондирования ПОЛЮС и мобильная аэрологическая станция МАС (см. рисунке 5.10). Отличительной их особенностью является то, что в их состав входит только система радиозондирования РН типа с радиозондами МРЗ-Н1.

б)

Рисунок 5.10 - Мобильные аэрологические системы ПОЛЮС (а) и МАС (б)

Особенностью мобильного исполнения КСРЗ является необходимость иметь в достаточном количестве баллоны с газом (водород или гелий) для наполнения ЛГО или установку для генерации водорода. Баллоны с газом (или установка генерации водорода) должна быть размещена в специальном прицепе.

Основное назначение мобильной КСРЗ - организация аэрологического зондирования атмосферы в районах чрезвычайных ситуация (в том числе, для обеспечения деятельности авиации), в ходе экспедиционных и прочих работ, предусматривающих наличие информации о профиле метеопараметров атмосферы до высот не менее 25 км. Программные и аппаратные средства мобильной КСРЗ должны обеспечивать проведение широкого спектра измерений метеопараметров атмосферы. В состав расчета мобильной КСРЗ должны входить не менее 3 человек, включая водителя-оператора.

КСРЗ атмосферы должна комплектоваться РЗ№1, а также иметь в качестве резервных радиозонды типа МРЗ-3. Время подготовки радиозонда к выпуску должно составлять не более 15 минут, включая сборку, обвязку и все необходимые предполетные проверки. Количество газовых баллонов должно быть не менее 8 до 40 литров каждый. В состав мобильной КСРЗ должна входить установка запуска радиозондов, которая представляет собой сборно-разборную каркасную металлическую конструкцию с матерчатым тентом.

Таким образом, предлагаемые варианты построения, размещения и применения КАММС и КСРЗ позволяют наиболее рационально организовать МОП на аэродромах, необорудованных аэродромных площадках, обеспечить необходимой метеоинформацией аэродромные метеослужбы для разработки метеопрогнозов и формирования метеосводок по аэродрому, маршрутам и районам полетов ВС.

Выводы по главе 5:

В ходе исследований, проведенны в 5 главе, были получены следующие основные результаты:

1. Предложена концепция применения аэродромной мобильной метеорологической системы.

2. Разработаны рекомендации по построению и конструктивному исполнению аэродромной мобильной метеорологической системы.

3. Сформулированы основные положения концепции применения комплексной системы радиозондирования атмосферы.

4. Разработаны рекомендации по построению и конструктивному исполнению комплексной системы радиозондирования атмосферы.

5. Предложен вариант СКОИ ПК, предусматривающий структурно раздельную комплексную обработку радиосигналов на первичном уровне.

На основе полученных результатов можно сформулировать следующие выводы:

1. Основными принципами построения комплексной аэродромной мобильной метеосистемы являются мобильность, комплексность, многофункциональность, модульность и гибкость. Принципы мобильности и комплексности являются определяющим для реализации конкретных технических решений по разработке КАММС, в состав которой должна входить: аэродромная метеорологическая станция, включающая в себя первичные измерители температуры и влажности воздуха, измерители атмосферного давления, измерители параметров ветра, измерители ВНГО и МДВ; аэродромная система радиозондирования атмосферы, основу которой составляет беспилотный метеоразведчик; метеорологическая РЛС ближней аэродромной зоны; ветровые лидары и температурный профилемер.

КАММС должна выполняться в мобильном варианте, обеспечивающем доставку авиационным, автомобильным транспортом или своим ходом к месту установки. Наиболее предпочтителен варианты размещения метеооборудования КАММС на базе автомобиля с повышенной проходимостью (типа КАМАЗ). Конструктивно КАММС должна включать в себя метеооборудование размещаемое в кузове автомобиля на постоянной основе и метеооборудование устанавливаемое на территории аэродрома в соответствии со схемой размещения. Метеооборудование размещаемое в кузове автомобиля в совокупности с АРМ метеорологов образует основной модуль КАММС.

Такой вариант построения КАММС позволит на качественно новом уровне решать задачи метеообеспечения полетов прежде всего на необорудованных

аэродромах/вертодромах, аэродромных площадках в районах Крайнего Севера и Арктики, а также аэродромах класса Д и Е.

Характерные черты КАММС, заключающиеся в ее мобильности и номенклатуре метеооборудования, являются определяющими для разработки концепции ее применения и размещения.

2. Основной модуль КАММС с должен быть размещен на удалении 100-150 м от траверза точки центра ВПП. Такое его расположение во много определяется принципом и режимами работы МРЛС БЗ и температурного профилемера. МРЛС БЗ имеет режим СЕКТОР, который обеспечивает получение информации о метеообстановке и метеорологических условиях полетов, выявление и предупреждение конфликтных ситуаций в условиях действия ОАМЯ в секторах взлета и посадки ВС.

Базовая станция слежения системы аэродромной системы радиозондирования атмосферы располагается в основном модуле КАММС, а площадка для выпуска беспилотного метеоразведчика определяется условиями конкретного аэродрома/вертодрома. Для обеспечения оперативных и достоверных данных о профиле температуры и влажности выпуски беспилотного метеоразведчика должны производится с периодичностью не менее 6 часов. Кроме этого, по мере необходимости выпуски беспилотного метеоразведчика должны выполняться внепланово. Для исключения потерь беспилотного метеоразведчика при скорости ветра у поверхности земли, превышающей 15 м/с, ливневых осадках и грозовой деятельности в районе аэродрома следует выпуски беспилотного метеоразведчика не проводить.

Размещение ветровых лидаров зависит от их типа. Наиболее приемлемым вариантом является использование в составе КАММС ветрового лидара ИЛВ-5000, размещение которого предусмотрено вблизи основного модуля КАММС, при этом рабочая зона ИЛВ-5000 имеет форму полусферы радиусом 5000 м и с центром в точке установки ИЛВ-5000.

Размещение элементов АМС зависит от условий конкретного аэродрома/вертодрома и, как правило, производится на специальной

метеорологической площадке, при этом, измерители параметров ветра должны располагаться на метеомачтах высотой 6-10 м и на удалении не более 200 м от оси ВПП. Измерители метеорологической дальности видимости устанавливаются на удалении не более 120 м от оси ВПП.

3. Основные принципы построения комплексной системы радиозондирования атмосферы (мобильность, комплексность, модульность и гибкость) определяют ее технический облик. Основу построения КСРЗ составляет комплексная базовая станция слежения, выполняемая конструктивно в стационарном или мобильном варианте, и радиозонды.

Анализ алгоритмов комплексной обработки аэрологической информации показал, что разработанная схема системы комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда, по сути, представляет собой схему первичной совместной обработкой сигналов (ССОС) спутниковых навигационных систем. Она имеет существенный недостаток, ограничивающий возможность дальнейшей модернизации КСРЗ. Это недостаток заключается в наличии перекрестных связей между каналами обработки радиосигналов. При необходимости включения в обработку радиосигналов других спутниковых навигационных систем, например Galileo потребуется внести изменения в структуру квазиоптимальных алгоритмов, т.е., по сути, заново решить задачу синтеза алгоритмов комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда.

Учитывая указанный недостаток предложен вариант схемы, предусматривающий структурно раздельную комплексную обработку радиосигналов (СРОС) на первичном уровне (первый этап). Суть предлагаемого варианта заключается в последовательном синтезе каналов обработки радиосигналов (КОС), на выходе которых формируются оценки параметров сигналов, т.е. псевдодальностей, псевдоскоростей и т.д., и алгоритмов совместной обработки выходных данных КОС и данных от АРЛС. Такой вариант также предполагает двухступенчатую обработку информации.

4. Сравнительный анализ схем построения системы комплексной обработки информации о пространственных координатах радиозонда (СКОИ ПК) показал, что в штатных условиях функционирования переход от ССОС к СРОС не приводит к существенному ухудшению качества функционирования СКОИ ПК, при этом графики зависимостей СКО ошибок оценивания высоты подъема радиозонда совпадают для обеих схем, а для СКО ошибок оценивания скорости подъема радиозонда наблюдается лишь небольшое снижение точности оценивания. В случае усложненной помеховой обстановки различия, как и следовало ожидать, между ССОС и СРОС становятся более заметны, однако различие в значениях СКО ошибок оценивания высоты подъема радиозонда для = 10-5 составляет 0,2-0,3 м,

а для СКО ошибок оценивания скорости подъема радиозонда - 0,12-0,13 м/с.

Таким образом, использование СРОС при построении СКОИ ПК является более предпочтительным и при этом не наблюдается существенного ухудшения точности и помехоустойчивости при определении пространственных координат радиозонда.