Разработка методов контроля высоты полета воздушных судов при управлении воздушным движением в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.13, кандидат технических наук Пряхин, Борис Сергеевич

• Пряхин, Борис Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пряхин, Борис Сергеевич

Перечень сокращений.

Введение.б

1. Проблема контроля выдерживания высоты полета воздушным судном.

1.1. Программа по сокращению интервалов вертикального эшелонирования, целесообразность её внедрения.

1.2. Анализ требований, предъявляемых к бортовому оборудованию воздушного судна, доработанному средствами вертикального эшелонирования.

1.2.1. Основные технические требования к характеристикам выдерживания высоты полета.

1.2.2. Погрешности барометрического высотомера.

1.3. Контроль выдерживания высоты полета воздушным судном как важная составляющая программы по сокращению интервалов вертикального эшелонирования

1.4. Анализ требований, предъявляемых к системам контроля выдерживания высоты полета воздушным судном.:.

Выводы по разделу 1.

2. Выбор структуры системы и метода контроля высоты полета воздушного судна.

2.1. Выбор метода определения высоты в наземной системе контроля высоты полета воздушного судна.

2.1.1. Особенности и преимущества многопозиционных радиолокационных систем.

2.1.2. Применение многопозиционных систем наблюдения при управлении воздушным движением.

2.2. Определение состава наземной системы контроля высоты полета воздушного судна

2.3. Решение задачи высокоточного определения пространственных координат воздушного судна в наземной системе контроля высоты полета.

2.3.1. Обоснование выбора метода оптимизации обработки сигналов в наземной системе контроля высоты полета воздушного судна.

2.3.2. Разработка математических моделей полезных сигналов и помех в наземной системе контроля высоты полета воздушного судна.

2.3.3. Решение задачи высокоточного определения пространственных координат воздушного судна путем синтеза субоптимальных алгоритмов первичной обработки информации в наземной системе контроля высоты полета.

Выводы по разделу 2.

3. Оценка качества функционирования, рекомендации по применению наземной системы контроля высоты полета воздушного судна и дальнейшему совершенствованию синтезированных алгоритмов.

3.1. Оценка потенциальных характеристик качества функционирования наземной системы контроля высоты полета воздушного судна.

3.2. Оценка фактически достижимых характеристик качества функционирования наземной системы контроля высоты полета воздушного судна.

3.2.1. Исследование характеристик наземной системы контроля высоты полета воздушного судна с использованием её статистической имитационной модели.

3.2.2. Фактически достижимые характеристики качества функционирования наземной системы контроля высоты полета воздушного судна.

3.3. Рекомендации по применению наземной системы контроля высоты полета воздушного судна при управлении воздушным движением в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования.

Выводы по разделу 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов контроля высоты полета воздушных судов при управлении воздушным движением в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования»

Одной из главных задач, решаемых в гражданской авиации, является повышение экономичности и регулярности воздушного движения при обеспечении заданного уровня безопасности. За последние годы в нашей стране большое внимание уделяется экономии энергетических ресурсов, в том числе авиационного топлива. Одним из действенных методов, позволяющих снизить расходы авиационного топлива, является сокращение интервалов вертикального эшелонирования. Увеличение общего количества возможных эшелонов в диапазоне крейсерских высот позволит выполнять полеты на эшелонах более близких к оптимальным с точки зрения расходов авиатоплива, повысить пропускную способность воздушных трасс, а, следовательно, и регулярность авиаперевозок. Более эффективное использование воздушного пространства позволит увеличить коммерческую загрузку воздушных судов (ВС) за счет уменьшения количества заправляемого топлива.

Анализ использования воздушного пространства показал, что наиболее загруженными являются эшелоны полета (ЭП) 290 - 410 на высотах от 8100 до 12300 м, так как на них обеспечивается наиболее экономичный расход топлива.

В соответствии с нормативными документами международной организации гражданской авиации (ИКАО) вертикальное эшелонирование должно осуществляться по показаниям измерителей высоты, использующих барометрический метод.

Применяемый в России в верхнем воздушном пространстве минимум вертикального эшелонирования (VSM) 500 м, а в зарубежных государствах до недавнего времени — 2000 фут (600 м) были приняты в 1960 году на основе технических возможностей ВС и барометрических высотомеров (БВ) того времени [1]. В настоящее время в России и за рубежом разработаны и выпускаются измерители барометрической высоты с существенно улучшенными техническими характеристиками.

Эти обстоятельства обусловили настоятельную необходимость более эффективного использования воздушного пространства путем сокращения норм вертикального эшелонирования выше ЭП 290.

В Постановлении Межведомственной комиссии по использованию воздушного пространства Российской Федерации от 16 сентября 1999 года было принято решение о проведении работ по обеспечению внедрения с ноября 2004 г. сокращенных норм вертикального эшелонирования на высотах выше 8100 м - через 300 м [2].

Необходимым условием введения сокращенных норм вертикального эшелонирования является поддержание или повышение существующего уровня безопасности полетов.

Поэтому контроль выдерживания высоты полета ВС — это неотъемлемая часть данной программы.

В настоящее время контроль эшелонирования ВС на маршрутах воздушных трасс и вне трасс, а также в отведенных зонах района аэродрома осуществляется при помощи системы вторичной радиолокации (ВРЛ), когда значение барометрической высоты, измеренное на борту ВС, передается на наземный радиолокатор. Использование этой системы позволяет выявить погрешности, обусловленные техникой пилотирования (FTE), но не дает возможности проконтролировать погрешности системы измерения высоты (ASE) и суммарную ошибку по высоте (TVE), равную разности фактической барометрической высоты, на которой находится ВС, и заданной барометрической высоты, соответствующей ЭП, подлежащие обязательной проверке при введении и использовании сокращенных норм вертикального эшелонирования.

Рекомендуемый ИКАО метод измерения TVE заключается в сравнении геометрической высоты полета ВС, измеренной с помощью наземной системы контроля высоты полета (НСКВП), с геометрической высотой заданного ЭП, рассчитанной на основе метеорологических данных. При этом совместное среднее квадратичное отклонение погрешности измерения геометрических высот полета ВС и геометрических высот ЭП не должно превышать 15 м [1].

Опыт внедрения сокращенных норм вертикального эшелонирования в Европе показал целесообразность использования в качестве НСКВП многопозиционной радиолокационной системы (МПРЛС), работающей с сигналами бортового ответчика (БО) системы BPJI. В документах ИКАО и Евроконтроля принято название такой системы — HMU -High Measuring Unit.

Одна из главных причин, препятствующих введению сокращенных норм вертикального эшелонирования в России - отсутствие НСКВП, отвечающей требованиям ИКАО -определяет практическую значимость исследования путей создания этой системы, включая разработку методов и алгоритмов высокоточного определения координат и высоты полета ВС.

Невозможность измерения геометрической высоты полета ВС эксплуатируемыми в настоящее время в России средствами наблюдения за воздушной обстановкой - однопо-зиционными двухкоординатными радиолокационными станциями (PJIC), а также недостаточная точность существующих датчиков, применяемых в таких системах придают особую важность исследованиям, нацеленным на создание НСКВП на базе МПРЛС, использующей сигналы системы ВРЛ на уровне первичной обработки информации (ПОИ), что позволяет улучшить качество функционирования самих измерителей.

Таким образом, объектом исследования в диссертационной работе является контроль высоты полета ВС при управлении воздушным движением, а предметом исследований - методы контроля высоты полета ВС при управлении воздушным движением (УВД) в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, основанные на многопозиционной обработке радиосигналов системы BPJI на уровне ПОИ.

Вопросы обработки сигналов системы BPJI рассматривались в работах [3, 4]. Исследованию МПРЛС, в том числе статистическому синтезу и анализу методов и алгоритмов обработки информации, посвящен ряд работ [5, 6, 7].

Однако, исследование процессов определения координат и высоты полета ВС псевдодальномерным методом в НСКВП и разработка субоптимальных алгоритмов многопозиционной обработки радиосигналов БО системы BPJI на уровне ПОИ до настоящего времени еще не проводились.

Таким образом, задача разработки методов контроля высоты полета ВС, обусловленная важностью и нерешенностью проблемы контроля показателей безопасности полетов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования в России, и отсутствием комплексных исследований алгоритмических аспектов создания НСКВП, а именно этим проблемам посвящена диссертационная работа, является актуальной научной и прикладной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.

Целью диссертационной работы является разработка методов контроля высоты полета ВС, обеспечивающих соблюдение заданного уровня безопасности полетов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования.

Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:

- анализа требований ИКАО, предъявляемых к системам контроля выдерживания высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;

- обоснования принципа построения и состава НСКВП;

- синтеза субоптимальных алгоритмов, позволяющих определять координаты и высоту полета ВС в соответствии с требованиями ИКАО по точности;

- разработки статистической имитационной модели НСКВП для количественной оценки характеристик качества её функционирования;

- расчета потенциальных и фактически достижимых характеристик точности НСКВП.

Методы исследований. При решении перечисленных задач применялись методы марковской теории оценивания случайных процессов [8, 9]. Также были использованы положения теории вероятностей и случайных процессов, теории сложных сигналов, методы математической статистики и математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:

- разработаны методы контроля высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, основанные на использовании многопозиционной обработки радиосигналов системы BPJI на уровне первичной обработки информации;

- предложена НСКВП для определения пространственных координат ВС при независимом контроле средств вертикального эшелонирования, использующая корреляционную обработку сигналов системы BPJI;

- разработана статистическая имитационная модель НСКВП, позволяющая производить количественную оценку её потенциальных и фактически достижимых характеристик точности.

Практическая значимость работы состоит в том, что:

- полученные результаты могут быть использованы при создании НСКВП, необходимой при реализации программы по сокращению норм вертикального эшелонирования в России, а также трехкоординатной МПРЛС для УВД;

- разработанные методы позволяют оценивать характеристики средств вертикального эшелонирования и бортового ответчика системы BPJI;

- методика исследования потенциальных и фактически достижимых характеристик качества функционирования НСКВП может быть использована при обосновании тактико-технических требований к МПРЛС для УВД.

Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и библиографического списка использованной литературы.

Первый раздел посвящен вопросам контроля выдерживания высоты полета ВС при внедрении сокращенных норм вертикального эшелонирования. Рассмотрены технические требования к характеристикам выдерживания высоты полета; проведен анализ составляющих погрешностей, а также возможностей современных барометрических высотомеров; определены роль и место контроля высоты полета ВС в УВД; представлены технические требования, предъявляемые к НСКВП.

Во втором разделе рассматриваются вопросы применения многопозиционных систем наблюдения для УВД; обосновывается многопозиционный принцип построения НСКВП с использованием сигналов системы ВРЛ и псевдодальномерного метода определения координат и высоты полета ВС; для обеспечения точности НСКВП, соответствующей требованиям ИКАО выполняется синтез субоптимальных алгоритмов определения координат и высоты полета ВС на уровне первичной обработки информации, в соответствии с которыми разрабатывается структурная схема многопозиционной системы приема сигналов и обработки информации в НСКВП.

Третий раздел посвящен оценке качества функционирования методов контроля высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования. С этой целью разрабатывается статистическая имитационная модель НСКВП, при помощи которой рассчитываются её потенциальные и фактически достижимые характеристики точности.

На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:

- методы контроля высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;

- структурная схема НСКВП, позволяющей определять пространственные координаты ВС с точностью, отвечающей требованиям ИКАО;

- статистическая имитационная модель НСКВП для оценки качества её функционирования;

- характеристики точности НСКВП.

Заключение диссертации по теме «Навигация и управление воздушным движением», Пряхин, Борис Сергеевич

Выводы по разделу 3

1. На основе статистического моделирования сигналов на выходах дискриминаторов разработана имитационная модель наземной системы контроля высоты полета воздушного судна, позволяющая производить количественную оценку фактически достижимых характеристик точности. Такой подход дает возможность избежать сложности статистического моделирования алгоритмов на несущей частоте радиосигналов и не приводит к слишком большим упрощениям.

2. Анализ потенциальных и фактически достижимых характеристик качества функционирования показал, что разработанная наземная система контроля высоты полета отвечает предъявляемым требованиям, которые выражаются в допустимой погрешности измерения пространственных координат воздушного судна. Так, точность определения высоты (среднее квадратичное отклонение) в установившемся режиме составляет примерно 1 метр, а планарных координат - около 2 метров при полете воздушного судна на высотах от 8100 до 12300 м. Требование несмещенности оценки выполняется.

3. Установлено, что измерение высоты с наименьшей погрешностью осуществляется при пролете воздушного судна над центральной позицией системы.

4. Даны рекомендации по практическому применению наземной системы контроля высоты полета воздушного судна и дальнейшему совершенствованию синтезированных субоптимальных алгоритмов.

Заключение

В диссертационной работе на основе проведенного анализа

- требований, предъявляемых к бортовому оборудованию и системам контроля выдерживания высоты полета воздушных судов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;

- опыта применения многопозиционных радиолокационных систем при УВД;

- существующих алгоритмов высокоточного определения местоположения воздушных судов с использованием различных многопозиционных систем, включая спутниковые радионавигационные системы; а также путем

- обоснования и выбора принципа построения наземной системы контроля высоты полета, отвечающей требованиям, установленным документами гражданской авиации,

- синтеза субоптимальных алгоритмов, позволяющих определять координаты и высоту полета воздушных судов в соответствии с требованиями ИКАО по точности,

- разработки статистической имитационной модели наземной системы контроля высоты полета для количественной оценки характеристик качества её функционирования,

- расчета потенциальных и фактически достижимых характеристик точности наземной системы контроля высоты полета разработаны и исследованы методы контроля высоты полета воздушных судов, обеспечивающие соблюдение заданного уровня безопасности полетов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, что соответствует поставленной цели диссертационной работы.

В ходе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:

- разработаны методы контроля высоты полета воздушных судов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, основанные на использовании многопозиционной обработки радиосигналов системы BPJI на уровне первичной обработки информации;

- предложена наземная система контроля высоты полета для определения пространственных координат воздушных судов при независимом контроле средств вертикального эшелонирования, использующая корреляционную обработку сигналов системы BPJI;

-разработана статистическая имитационная модель наземной системы контроля высоты полета, позволяющая производить количественную оценку её потенциальных и фактически достижимых характеристик точности.

Полученные результаты позволяют:

- проводить контроль высоты полета воздушных судов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;

- осуществлять практическую разработку наземной системы контроля высоты полета, необходимой при реализации программы по сокращению норм вертикального эшелонирования в России, а также трехкоординатной многопозиционной радиолокационной системы для УВД;

- оценивать характеристики средств вертикального эшелонирования и бортовых ответчиков системы BPJI;

- обосновывать тактико-технические требования к многопозиционным системам наблюдения для УВД.

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «НПО «ЛЭМЗ» в ОКР «Рейс-2000», Управлением заказов и поставок авиационной техники и вооружения в ТТЗ на ОКР по созданию подсистем наблюдения за воздушной обстановкой и управления воздушным движением, ВА ВКО им. Г.К. Жукова в учебном процессе, а также в/ч 18353 при выполнении НИР «Дециан-08».

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXXIV военно-научной конференции во 2 ЦНИИ МО РФ (Тверь, 2008 г.), НТС в 24 НЭИУ МО РФ и межкафедральных семинарах в МГТУ ГА.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пряхин, Борис Сергеевич, 2009 год

1. Руководство по применению минимума вертикального эшелонирования в 300 м (1000 фут) между ЭП 290 и ЭП 410 включительно. Изд. второе, Doc 9574 - AN/934, 2002.

2. Постановление №1 Межведомственной комиссии по использованию воздушного пространстваРоссийской Федерации от 16 сентября 1999 г.

3. Крыжановскип Г.А., Черняков М.в. Комплексирование авиационных систем передачиинформации. М.: Транспорт, 1992.-295 с.

4. Радиолокационное оборудование автоматизированных систем управления воздушным движением. / Под ред. А.А. Кузнецова. - М.: Транспорт, 1995. - 344 с.

5. Черняк B.C. Многопозиционная радиолокация. — М.: Радио и связь, 1993. - 416 с.

6. Черняк B.C., Заславский Л.П., Осипов Л.В. Многопозиционные радиолокационныестанции и системы // Зарубежная радиоэлектроника. - 1987. - № 1. - 9 - 69.

7. Кондратьев B.C., Котов А.Ф., Марков Л.Н. Многопозиционные радиотехнические системы. - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.

8. Ярлыков М.С., Миронов М.А. Марковская теория оценивания случайных процессов.М.: Радио и связь, 1993. - 464 с.

9. Браславский Д.А., Логунов С, Пельпор Д.С. Авиационные приборы и автоматы. - М.:Машиностроение, 1978. - 432 с.

10. Приложение к инструкции по проверке барометрического высотомерного оборудования.

12. Технические системы и средства, создаваемые для единой системы организации воздушногодвижения России. Каталог. Изд. Второе, М.: ОАО НИИЭИР, 1998. - 160 с.

13. Б.С. Пряхин. Алгоритмы многопозиционной системы наблюдения для управлениявоздушным движением. /В сборнике «Материалы XXXIV военно-научной конференции». - Тверь. 2 ЦНИИ МО РФ, 2008.

14. Многопозиционная система наблюдения P3D и ее реальное применение в УВД. // НОВОСТИаэронавигации. Международное издание. - 2003. - № 6. — 20 — 26.

15. Авиационная электросвязь. Приложение 10 к конвенции о международной гражданскойавиации. Том IV (системы обзорной радиолокации и предупреждения столкновений). Издание первое тома IV - июль 1995 г.

16. Б.С. Пряхин. Алгоритмы наземной системы контроля высоты полета воздушногосудна. Научный вестник ГосНИИ "Аэронавигация" №7, серия Проблемы организации воздушного движения. Безопасность полетов. - М.: ФГУП ГосНИИ "Аэронавигация", 2007.

17. М.В. Черняков, Б.С. Пряхин. Алгоритмы работы наземной системы контроля высотыполета. // Наукоемкие технологии. - 2008. - № 3. - 81 - 89.

18. М.В. Черняков, Б.С. Пряхин. Многопозиционная обработка сигналов системы вторичной радиолокации для измерения геометрической высоты полета. Научный вестник МГТУ ГА №126, серия Радиофизика и радиотехника. - М.: МГТУ ГА, 2008.

19. Singer R.A. Estimating optimal trackingTmer performance for manned maneuvering targets. IEEE Trans., 1970 July, AES-6, № 4, p. 473 - 483.

20. Ярлыков M.C. Статистическая теория радионавигации. — М.: Радио и связь, 1985.344 с.

21. Калиткин Н.Н., Гольцов Н.А. Введение в численный анализ. Учебное пособие. — М.:Изд. МГУЛ, 2003.-143с.

22. Перов А.И. Статистическая теория радиотехнических систем. - М.: Радиотехника,2003.-400 с.

23. Харисов В.Н., Пастухов А.В. Упрощение моделирования приемников СРНС на основевведения статистически эквивалентных дискриминаторов. // Радиотехника (Журнал в журнале). - 2003. - № 7.