Разработка методов контроля местоположения воздушных судов государственной авиации при управлении воздушным движением во внетрассовом секторе воздушного пространства тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Шанин, Алексей Вячеславович

• Шанин, Алексей Вячеславович
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шанин, Алексей Вячеславович

Перечень сокращений.

Введение.

Глава 1 Подсистема наблюдения за воздушной обстановкой — основной источник информации в современных автоматизированных системах управления воздушным движением.

1.1 Роль и место подсистемы наблюдения в современных автоматизированных системах управления воздушным движением.

1.2 Традиционные и перспективные источники информации в подсистемах наблюдения за воздушной обстановкой.

1.3 Требования к подсистеме наблюдения в современных условиях развития авиационной техники и воздушного транспорта.

1.3.1 Увеличение интенсивности воздушного движения, сокращение минимумов эшелонирования, внедрение требуемых навигационных характеристик.

1.3.2 Укрупнение зон ответственности центров управления воздушным движением и информационная интеграция подсистем наблюдения за воздушной обстановкой различных ведомств.

1.3.3 Совершенствование летных характеристик (маневренных свойств) воздушных судов.

1.4 Анализ методов обработки информации, используемых в современных подсистемах наблюдения за воздушной обстановкой автоматизированных систем управления воздушным движением.

1.4.1 Общие сведения об алгоритмах и процедурах обнаружения и оценки параметров движения воздушных судов.

1.4.2 Процедуры вторичной обработки информации, используемые в современных подсистемах наблюдения за воздушной обстановкой.

1.5 Оценка влияния маневренных возможностей воздушных судов на алгоритмы обработки информации в подсистеме наблюдения автоматизированных систем управления воздушным движением.

Глава 2 перспективные алгоритмы обработки информации при наблюдении за воздушной обстановкой.

2.1 Общая характеристика направлений совершенствования алгоритмов сопровождения маневрирующих воздушных судов.

2.2 Использование различных моделей состояния при описании динамики движения воздушных судов.

2.2.1 Классическая математическая модель динамики движения воздушных судов и уравнения оценки параметров движения.

2.2.2 Упрощенные алгоритмы калмановской фильтрации: сс-/3- и ильтры.

2.2.3 Исследование дискретных линейных калмановских фильтров различной размерности при сопровождении маневрирующих воздушных судов.

2.2.4 Применение алгоритмов аналого-дискретной фильтрации.

2.3 Обнаружение маневра воздушных судов путем анализа невязки с последующей коррекцией коэффициентов усиления фильтра сопровождения.

2.4 Алгоритмы адаптивпой фильтрации с оптимальной коррекцией прогноза состояния.

2.5 Многомодельные (могогипотезные) алгоритмы сопровождения воздушных судов.

2.5.1 Многомодельный измеритель для постоянных параметров моделей состояния.

2.5.2 Многомодельный измеритель с перекрестными связями между моделями состояния.

2.6 Алгоритмы сопровождения на основе идентификации параметров модели состояния.

Глава 3 Оценка эффективности функционирования алгоритмов сопровождения воздушных судов.

3.1 Методические основы оценки эффективности функционирования алгоритмов.

3.2 Разработка методики и оценка эффективности функционирования алгоритмов сопровождения воздушных судов.

3.2.1 Структура показателей оценки эффективности.

3.2.2 Расчет частных показателей эффективности.

3.2.3 Расчет обобщенных показателей эффективности.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов контроля местоположения воздушных судов государственной авиации при управлении воздушным движением во внетрассовом секторе воздушного пространства»

Постоянное совершенствование авиационной техники, растущие потребности в воздушных перевозках, организационные и структурные изменения в системах использования воздушного пространства (ИВП) и управления воздушным движением (УВД) предопределяют повышение требований к современным и перспективным автоматизированным системам управления воздушным движением (АС УВД). Подсистема наблюдения за воздушной обстановкой, являясь ключевым функциональным элементом АС УВД, в первую очередь должна соответствовать новым требованиям, изменяющимся под влиянием различных организационно-экономических и технических факторов, таких как:

- увеличение интенсивности воздушного движения;

- сокращение минимальных интервалов эшелонирования при полетах по воздушным трассам, внедрение процедур зональной навигации и концепции «свободного полета»;

- укрупнение зон ответственности центров Единой системы организации воздушного движения (ЕС ОрВД);

- межведомственная информационная интеграция подсистем наблюдения за воздушной обстановкой и УВД;

- совершенствование летных характеристик воздушных судов (ВС) государственной авиации.

Одной из значимых современных тенденций является организационная, информационная и техническая интеграция систем и средств наблюдения за воздушной обстановкой различной ведомственной принадлежности. Так, в соответствии с «Концепцией совершенствования Федеральной системы разведки и контроля воздушного пространства Российской Федерации на 2001-2010 годы», утвержденной Постановлением Правительства РФ от 2 июня 2006 г. №345, основным направлением развития средств и систем наблюдения Минобороны и Минтранса России является последовательная их интеграция в Единую автоматизированную систему в рамках Федеральной системы разведки и контроля воздушного пространства (ВП) Российской Федерации. При этом, для контроля использования ВП и обеспечения безопасности полетов как государственной, так и гражданской авиации будут использоваться системы и средства двойного назначения, разработанные с учетом требований Минобороны и Минтранса России.

Кроме того, согласно Указа Президента РФ от 05.09.2005 № 1049 и соответствующего Постановления Правительства РФ от 30.03.2006 №173 «О Федеральной аэронавигационной службе», функции контроля использования ВП и УВД над всей территорией РФ должны обеспечиваться единым федеральным органом - Росаоронавигацией (бывшее название -«Федеральная аэронавигационная служба»).

Таким образом, в настоящее время контроль за ИВП и УВД как в трассовых, так и во внетрассовых секторах ВП (бывшие названия — «гражданские и военные сектора ВП») должен обеспечиваться органами ЕС ОрВД с использованием существующих и перспективных систем и средств наблюдения за воздушной обстановкой и УВД.

Необходимо также отметить, что современное состояние и тенденции развития авиационной техники предопределяют все более жесткие требования к средствам наблюдения за воздушной обстановкой. К одной из основных тенденций развития военного самолетостроения можно отнести создание нового типа сверхманевренных летательных аппаратов, способных выполнять маневры со сложными пространственными эволюциями. В связи с этим к подсистеме наблюдения за воздушной обстановкой современных и перспективных АС УВД предъявляются существенно более высокие требования по обеспечению контроля за местоположением ВС различной ведомственной принадлежности как при их равномерном и прямолинейном движении по воздушным трассам, так и при интенсивном маневрировании во внетрассовом ВП.

Применяемые в существующих АС УВД методы обработки информации о воздушной обстановке до недавнего времени были рассчитаны на контроль ВП лишь в пределах воздушных трасс и на сопровождение ВС гражданской авиации. В настоящее время, в связи с возникновением задач по контролю внетрассового ВП и сопровождению полетов ВС государственной авиации, возникла острая необходимость совершенствования методов обработки информации, используемых в АС УВД при наблюдении за воздушной обстановкой.

Основной целью данной работы является повышение функциональных возможностей современных и перспективных АС УВД в части обеспечения контроля местоположения интенсивно маневрирующих ВС государственной авиации для сохранения требуемого уровня безопасности полетов. Для достижения поставленной цели в рамках работы было проделано следующее:

- разработаны и исследованы несколько различных типов алгоритмов сопровождения интенсивно маневрирующих ВС, оценены их преимущества и недостатки относительно используемых в современных АС УВД аналогов;

- разработана методика комплексной оценки эффективности алгоритмов, учитывающая различные критерии и условия применения и позволяющая оценить относительную эффективность различных типов алгоритмов сопровождения между собой;

- на основе разработанной методики получены комплексные количественные оценки эффективности всех исследуемых типов алгоритмов, выбран наиболее эффективный алгоритм сопровождения с точки зрения возможного использования в современных и перспективных АС УВД.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Шанин, Алексей Вячеславович

Выводы по главе 3

Разработанная методика комплексной оценки эффективности функционирования алгоритмов позволяет учитывать различные критерии и условия применения. Данная методика основана па многоуровневом взвешенном суммировании частных показателей эффективности и рассчитана на проведение любого потребного расширения структуры показателей (как в «ширину», так и в «глубину»). На основе методики рассчитываются обобщенные показатели эффективности функционирования алгоритмов, которые позволяют количественно оценить относительную эффективность различных типов алгоритмов между собой.

Расчеты, проведенные по данной методике, позволили определить для перспективных АС УВД наиболее эффективные алгоритмы сопровождения ВС при наблюдении и управлении воздушным движением во внетрассовом секторе воздушного пространства. Результаты расчетов показали, что наиболее эффективным (из исследуемых) алгоритмом сопровождения ВС в реальных условиях эксплуатации современных и перспективных АС УВД является алгоритм на основе измерителей с идентификацией параметров модели состояния. Если предположить, что вычислительные ресурсы АС УВД неограниченны или быстродействие системы не имеет существенного значения, то наиболее эффективным (из исследуемых) алгоритмом сопровождения в этом случае будет являться алгоритм на основе измерителей с перекрестными связями между моделями состояния.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основными результатами исследований, проведенных в рамках данной работы, являются следующие:

1) Определены наиболее значимые организационно-экономические и технические факторы, влияющие на облик и характеристики подсистемы наблюдения за воздушной обстановкой современных и перспективных АС УВД.

2) Обоснована необходимость совершенствования методов обработки информации о воздушной обстановке в подсистемах наблюдения АС УВД с целью обеспечения контроля местоположения ВС гражданской и государственной авиации как в трассовом, так и во вне-трассовом секторах. В качестве направлений совершенствования предложено использование алгоритмов сопровождения высокомансвреипых ВС и специальных процедур обнаружения маневров.

3) Разработаны адаптивные алгоритмы сопровождения ВС различных типов на основе:

- Э-модификации фильтра Калмана;

- измерителя с оптимальной коррекцией прогноза состояния;

- многоканального измерителя для постоянных параметров моделей состояния;

- многоканального измерителя с перекрестными связями между моделями состояния;

- измерителя с идентификацией параметров модели состояния.

Исследования функционирования алгоритмов сопровождения ВС, проведенные на основе имитационного моделирования, показали, что использование любого из этих типов алгоритмов позволит существенно повысить точность и устойчивость сопровождения интенсивно маневрирующих ВС по сравнению с алгоритмами, используемыми в существующих АС УВД.

4) Разработана методика комплексной оценки эффективности функционирования алгоритмов сопровождения, учитывающая различные критерии и условия применения и позволяющая получить сравнительную количественную оценку эффективности различных типов алгоритмов по отношению друг к другу или к эталонному (используемому) алгоритму. Данная методика, основанная на многоуровневом взвешенном суммировании частных показателей эффективности, является универсальной с точки зрения используемых критериев и характеристик эффективности и рассчитана на проведение любого потребного расширения структуры показателей (как в «ширину», так и в «глубину»).

5) На основе разработанной методики проведена сравнительная оценка эффективности функционирования исследуемых типов алгоритмов сопровождения. Показано, что интегральные показатели точности, устойчивости и чувствительности исследуемых алгоритмов увеличиваются с ростом вычислительных затрат. В результате сравнительной оценки с использованием четырех различных стратегий принятия решения выбраны два типа алгоритмов, обеспечивающих наивысшее значение интегрального показателя эффективности.

6) Из всех исследуемых типов алгоритмов сопровождения ВС при наблюдении во вне-трассовом секторе ВП наиболее эффективным является:

- алгоритм на основе измерителей с идентификацией параметров модели состояния (с учетом ограничений на вычислительные ресурсы АС УВД);

- алгоритм на основе измерителей с перекрестными связями между моделями состояния (без учета ограничений на вычислительные ресурсы АС УВД).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шанин, Алексей Вячеславович, 2009 год

1. Бабич В.К., Баханов Л.Е. Герасимов Г.П. и др. Авиация ПВО России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра. /Под ред. Е.А.Федосова-М.: Дрофа, 2004.

2. Бакулев П. А.,Сычев М.И., Нгуен Чонг Лыу. Многомодельный алгоритм сопровождения траектории маневрирующей цели по данным обзорной РЛС. — Радиотехника, 2004, №1.

3. Бляхман А. РЛС «Противник-Г» ломка стереотипов. -Воздушно-космическая оборона, 2006, №6.

4. Габец В.Н. Выбор и принятие решений в задачах технической эксплуатации авиационного оборудования: Учеб. Пособие. -М.: МГТУ ГА, 1988.

5. Грооп Д. Методы идентификации систем /Пер. с англ. -М.: Мир, 1979.

6. Емельянов C.B., Ларичев О.И. Многокритериальные методы принятия решений. -М: Знание, 1985 (Новое в жизни, науке, технике. Сер. Математика, кибернетика; № 10).

7. Емельянов C.B., Озерной В.М., Ларичев О.И. Обзор. Проблемы и методы принятия решений. -М.: ВИНИТИ, 1973.

8. Зингер P.A. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью. -Зарубежная радиоэлектроника, 1971, №8, с. 40-57.

9. Ильчук А.Р., Канащенков А.И., Меркулов В.И. и др. Алгоритмы автоматического сопровождения целей в режиме обзора. -Радиотехника, 1999, № 11, с. 3-21.

10. Канащенков А.И., Меркулов В.И., Самарин О.Ф. Облик радиолокационной системы современного истребителя с учетом состояния и перспектив развития авиации. -Радиотехника, 2000, №1.

11. Кини P.JI., Ральфа X. Принятие решений при многих критериях: предпочтения и замещения: Пер. с англ. / Под ред. И.Ф. Шахнова. -М.: Радио и связь, 1981.

12. Козлов В. Лидер локаторов боевого режима. -Воздушно-космическая оборона, 2006, №3.

13. Козлов В. Радиолокационной симфонии предшествуют «Гаммы». -Воздушно-космическая оборона, 2006, №5.

14. Колганов С., Сумин А. Радиолокационное вооружение. -Воздушно-космическая оборона, 2005, №5

15. Кореньков В., Колик А. PJIC 96JI6E к серии готова. -Воздушно-космическая оборона, 2006, №6.

16. Корляков В. Радиолокация на современном этапе. -Воздушно-космическая оборона, 2006, №6.

17. Красовский A.A. Системы автоматического управления полетом и их аналитическое конструирование. -М.: Наука, 1973.

18. Кузьмин С.З. Основы теории цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Советское радио, 1974.

19. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. -М.: Радио и связь, 1986.

20. Лыонг JI. Идентификация систем. Теория для пользователей. -М.: Наука, 1991.

21. Меркулов В.И., Викулов О.В. Выбор коэффициентов штрафов функционала качества Летова-Калмана при синтезе радиоэлектронных следящих систем. -Радиотехника, 1996, №3, с. 22-26.

22. Меркулов В.И., Глик А.Л., Сабин В.Н. Синтез сигналов управления радиолокационной следящей системой, оптимальных по минимуму квадратично-биквадратного функционала качества. -Радиотехника и электроника, 2001, т.46, №6.

23. Меркулов В.И., Дрогалин В.В. Устранение расходимости процедур линейного дискретного оценивания методом оптимальной коррекции прогноза. -Радиотехника, 1999, №2, с. 81-85.

24. Меркулов В.И., Забелин И.В. Устранение расходимости процессов линейной фильтрации путем оптимальной коррекции прогноза состояния. -Радиотехника и электроника, 1999, том 44, №2, с. 185-189.

25. Меркулов В.И., Забелин И.В. Шуклин А.И. Синтез следящей системы дальномера с обнаружением маневра и адаптации к нему путем оптимальной коррекции прогноза в режиме АСЦРО. -Радиотехника, 2005, №6, с. 71-75.

26. Меркулов В.И., Канащенков А.И., Перов А.И., Саблин В.Н. и др. Оценивание дальности и скорости в радиолокационных системах, ч. 1 /Под ред. А.И.Канащенкова и В.И.Меркулова. -М.: Радиотехника, 2004.

27. Миркин Б.Г. Анализ качественных признаков и структур. —М.: Статистика, 1980.

28. Нечеткие множества и теория возможностей. Последние достижения. Пер. с англ./ Под ред. P.P. Ягера. —М.: Радио и связь, 1986.

29. Организация управления воздушным движением. / В.И. Алешин, Ю.П. Дарымов, Г.А. Крыжановский и др.; Под ред. Г.А. Крыжановского. —М.: Транспорт, 1988. — 264с.

30. Орловский С.А. Проблемы принятия решений при нечеткой исходной информации. -М.: Наука, 1981.

31. Отчет о НИР «Обоснование предложений по укрупнению районов УВД Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации» (шифр «Укрупнение»), 24 НЭИУ МО РФ, 2003.

32. Пацко B.C., Пятко С.Г., Кумков С.И., Федотов A.A. Оценивание траекторного движения воздушного судна на основе информационных множеств. —СПб.: Научные доклады. Академия ГА, 1999.

33. Первачев C.B., Перов А.И. Адаптивная фильтрация сообщений. -М.: Радио и связь, 1991.

34. Перов А.И. Адаптивные алгоритмы сопровождения маневрирующих целей. -Радиотехника, 2002, №7, с.73-81.

35. Петухов С., Шестов И. История создания и развития вооружения и военной техники ПВО сухопутных войск России. —М.: Издательство «ВПК», 1999.

36. Пояснительная записка к эскизному проекту «Система наблюдения, связи и передачи данных для управления полетами государственной авиации» (шифр «Прогноз-небо»). ООО «Фирма «НИТА», 2005.

37. Прикладные нечеткие системы: пер. с япон./К. Асаи, Д. Ватада, С. Иваи и др.; под редакцией Т. Терано, К. Асаи, М. Сугэно. -М.: Мир, 1993.

38. Руководство по требуемым навигационным характеристикам (RNP). Изд. Второе, Doc 9613-AN/937, 1999.

39. Саати Т. Принятие решений. Метод анализа иерархий: Пер. с англ. -М.: Радио и связь, 1993.-320 с.

40. Статистические данные: Общий рост авиаперевозок. -Авиаглобус, 2008, №3, с. 11.

41. Тихонов В. И., Харисов В. Н. Статистический анализ исинтез радиотехнических устройств и систем. -М: Радио и связь, 1991.

42. Тучков Н. Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства управления воздушным движением. -М.: Транспорт, 1994.

43. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей. —М.: Радио и связь, 1993.

44. Федеральная целевая программа «Совершенствование федеральной системы разведки и контроля воздушного пространства Российской Федерации (2007-2010 годы)». Утверждена Постановлением Правительства РФ № 435 от 02.06.2006г. Издание официальное.

45. Федеральная целевая программа «Модернизация транспортной системы России (2002-2010 годы)». Подпрограмма «Единая система организации воздушного движе-иия». Утверждена Постановлением Правительства РФ № 848 от 05.12.2001г. Издание официальное.

46. РЭК под ред. П.И.Дудника. -М.: ВВИА им. Н.Е.Жуковского, 1995.

47. Энциклопедия «Оружие и технологии России. XXI век», т. 9 «Противовоздушная и противоракетная оборона» -М.: Издательский дом «Оружие и технологии», 2004.

48. Bar-Shalom Y., Chang К.С., Blom Н.А. Tracking a Maneuvering Target Using Input Estimation Versus the Interacting Multiple Model Algorithm. —IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1989, vol. 25, № 2, pp. 296-300.

49. Bizup D.F., Brown D.E. Maneuver Detection Using the Radar Range Rate Measurement. -IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 2004, vol. 40, № 1, pp. 330336.

50. Blom H. A., Bar-Shalom Y. The Interacting Maltiple Model Algorithm for Systems with Markovian Switching Coefficients. -IEEE Transactions on Automatic Control, 1988, vol. 33, pp. 780—783.

51. Kalata P.R. The tracking index: a generalized parameter for a-ft and a-ft-y target trackers. -IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1984, vol. 20, № 2, pp. 174182

52. Song T. L, Ahn J. Y., Park C. Suboptimal Filter Design with Pseudomeasurements for Target Tracking -IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1988, vol. 24, № 1, pp. 28-39.