автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Исследование и разработка средств имитационного моделирования воздушной обстановки в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы

На правах рукописи

РЕЙТЛИНГЕР СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ ОБСТАНОВКИ В РЕАЛЬНОМ И УСКОРЕННОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ ПРИ СУЩЕСТВЕННЫХ ОГРАНИЧЕНИЯХ НА РЕСУРСЫ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (авиационная, космическая техника и кораблестроение)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2004 г.

Работа выполнена на кафедре «Приборы и измерительно - вычислительные комплексы» в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете).

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор В.Г. Осипов

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Г.Ф. Хахулин

кандидат технических наук, А.А. Польский

Ведущее предприятие: Федеральный научно-производственный центр «Раменское приборостроительное конструкторское бюро»(ФНПЦ РПКБ)

Защита диссертации состоится «_»_2004 года в_час.

_мин. на заседании диссертационного совета Д 212.125.11 в Московском

авиационном институте (Государственном техническом университете) по адресу: Москва, 125993, Волоколамское шоссе, дом 4, зал заседаний Учёного Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Просим принять участие в работе совета или прислать отзыв в одном экземпляре. Автореферат разослан «_»_2004 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета к.т.н., доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Постановлением Правительства РФ №144 от 22

февраля 2000 г. утверждена Концепция модернизации и развития Единой системы организации воздушного движения (ОрВД) России. Концепция определяет пути эволюционного перехода от традиционной к перспективной федеральной аэронавигационной системе РФ на базе использования перспективных наземных, бортовых и космических средств и систем связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения CNS/ATM ИКАО.

Применение глобальных систем связи, навигации, наблюдения и линий передачи цифровых данных, объединяющих все элементы аэронавигационной системы в единый автоматизированный комплекс обуславливает необходимость использования методов моделирования при создании, сертификации и эксплуатации аэронавигационной системы, а также для оценки её эффективности. Для увеличения эффективности воздушного движения необходима отработка организационных, тактических, технических и экономических решений путём использования перспективной современной моделирующей базы.

Разработка перспективного моделирующего комплекса (МК) позволит использовать математическое, имитационное и полунатурное моделирование для проведения перспективных и прикладных исследований процессов в системе ОрВД, в том числе:

❖ процессов и систем обслуживания (управления) воздушного движения;

❖ процессов и систем организации потоков воздушного движения;

процессов организации воздушного пространства в целях обеспечения обслуживания (управления) воздушного движения и организации потоков воздушного движения.

Для полноценного функционирования такого моделирующего комплекса необходимы средства имитационного моделирования воздушной обстановки. Необходимость в построении имитационной модели обусловлена как невозможностью создания адекватной математической модели воздушной обстановки, так и необходимостью изменения

КИМИОТЕКА С. Пет < О»

с аналогичным изменением этих параметров в реальной системе. Диссертационная работа и посвящена созданию программного средства (ПС), осуществляющего имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме при реальной загрузке в режимах реального и ускоренного масштаба времени, обеспечивая требуемую точность имитации при существенных ограничениях на ресурсы. Этим и определяется её актуальность.

В мире существуют программные средства со схожей функциональностью, но они не удовлетворяют в полной мере всем требованиям поставленной задачи. Большинство зарубежных систем имитационного моделирования воздушной обстановки отличаются крайне высокими стоимостью и требованиями к аппаратному обеспечению при стандартном наборе функций, а системы, доступные для внедрения, отличаются весьма ограниченной функциональностью. В частности, к основным отличиям разработанного в диссертации имитатора воздушной обстановки (ИВО) от существующих аналогов, можно отнести имитационную модель воздушной обстановки с шагом моделирования воздушного движения 0.1 с, включающую блок имитации движения воздушных судов (ВС) на всех этапах полёта и средств наблюдения, а также разработанный алгоритм формирования случайных реализаций траекторий воздушных судов при полёте по заданному маршруту, позволяющий производить оценку нарушений требуемых навигационных характеристик (RNP) на трассах с параллельным формированием статистики о выполнении полётов по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом характеристик системы бортового оборудования и обеспечивающих радиотехнические средств (РТС).

Цель работы. Разработка программно-алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования воздушной обстановки в составе МК ОрВД в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы.

Основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе:

"»* анализ методов и средств моделирования воздушной обстановки с описанием их возможностей, позволивший сформировать набор функциональности для ИБО;

создание имитационной модели, позволившей производить моделирование воздушной обстановки в заданном объёме в режиме реального и ускоренного масштаба времени, при этом обеспечивая требуемую точность имитации; проектирование и разработка программного средства, реализующего данную имитационную модель.

Разработанная модель включает: *♦* имитацию движения воздушных судов (ВС), что позволяет моделировать необходимое число ВС на всех этапах полёта (взлёт, движение по стандартной траектории для вылетающих ВС (СИД), движение по маршруту, движение по стандартной траектории для прилетающих ВС (СТАР), посадка), включая прогнозирование траекторного движения ВС и моделирование отклонений от курса с учётом:

маршрута, определенного в плане полета (имитации),

данных о метеообстановке, задаваемых при подготовке параметров

моделирования,

летно-технических характеристик имитируемых ВС, команд, вводимых диспетчерами и пилотами-операторами; ♦> имитацию средств радиолокационного наблюдения и радиокорректоров типа УОК/ОМЕ, РСБН, ПРС и с формированием данных о координатах ВС в

нескольких основных системах координат (СК) и высоте полета для формирования трека ВС;

имитацию формирования сообщений системы автоматического зависимого наблюдения (АЗН), а также формирования запросов на информацию АЗН и отображение сообщений АЗН;

имитацию воспроизведения процедур обработки информации о местоположении ВС, включая процедуры экстраполяции и интерполяции для отображения трека ВС и сопровождающей его информации;

имитацию расчёта расхода топлива каждым ВС с возможностью вывода его остатка и ежеминутного расхода; "** оценку с использованием методов имитационного моделирования степени выполнения точностных характеристик при производстве полётов конкретных ВС по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих РТС с представлением точностных характеристик RNP, а также

расчёт распределения суммарного времени, в течение которого ВС данного типа выполняет полёт по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом характеристик бортового оборудования и обеспечивающих РТС, вдоль маршрута полёта ВС с выделением наиболее опасных участков.

Методы исследования. При разработке имитационной модели использовались методы численного интегрирования (метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке), методы прогнозирования траекторного движения (спиральное прогнозирование), методы перевычисления координат между различными координатными системами, элементы теории полёта и теории случайных процессов, методы математического и имитационного моделирования.

При проектировании и программной реализации ИВО использовались методы проектирования информационных систем реального времени, методы объектно-ориентированного и системного программирования.

Основные научные результаты:

имитационная модель, позволяющая осуществлять имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме для моделирующего комплекса организации воздушного движения в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы; алгоритм формирования случайных реализаций траекторий воздушных судов при полёте по заданному маршруту, включающий этапы полёта без

радиотехнических корректоров, в зоне действия радиотехнических корректоров и при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров, особенностью которого является возможность реализации в условиях ограниченных ресурсов; ^ подход к оценке степени выдерживания точностных характеристик RNP в реальном времени при производстве полётов конкретных воздушных судов по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих радиотехнических средств.

Практическая значимость. Имитатор воздушной обстановки, спроектированный и реализованный в рамках данной диссертационной работы, является подсистемой созданного Московским авиационным институтом и ГосНИИ «Аэронавигация» комплекса моделирования процессов организации воздушного движения, являющегося основой экспериментальной базы, позволяющей использовать математическое, имитационное и полунатурное моделирование при проведении различных исследований в области ОрВД, начиная с вопросов моделирования воздушных потоков в конкретном районе и кончая вопросами стратегического и оперативного планирования воздушного движения.

Основные практические результаты: Спроектировано и реализовано программное средство (ПО), реализующее предложенную имитационную модель и позволяющее проводить полунатурное (в реальном времени) и ускоренное имитационное моделирование в автоматическом и ручном режимах с одновременной визуализацией воздушного пространства. Разработанное ПО является подсистемой созданного Московским авиационным институтом и ГосНИИ «Аэронавигация» моделирующего комплекса ОрВД.

Произведено тестовое демонстрационное моделирование Московской воздушной зоны в реальном и ускоренном масштабе времени (поведение 791 воздушного судна в течение 24 часов), а также воздушного движения на

маршруте Москва-Екатеринбург с параллельным накоплением статистики по степени выдерживания точностных характеристик RNP.

комплекс был принят к эксплуатации ГОС НИИ "Аэронавигация", что подтверждается актом внедрения, а также продемонстрирован на выставке АВИА-2004, где был награждён дипломом с медалью.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы представлены автором в виде математического и программного обеспечения для перспективного моделирующего комплекса ОрВД и докладывались на пяти научно-технических конференциях, в том числе на трёх международных.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в отчёте по НИР и 6 печатных работах.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 84 наименований. Объём диссертации 272 страницы машинописного текста, включает 106 рисунков, 8 таблиц и три приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность решаемых задач, сформулированы цель работы и задачи исследования, охарактеризована их научная новизна, практическая ценность и приведены краткие сведения о реализации полученных результатов.

В первой главе проведён анализ средств, используемых в настоящее время для моделирования воздушной обстановки, в частности, проанализированы имитаторы воздушной обстановки в средствах моделирования процессов в системе ОрВД: EUROCAT 2000, OASIS, CTAS. Из внедрённых на сегодня систем, наиболее подходящей функционально для имитационного моделирования процессов в системе ОрВД является EUROCAT 2000. Эта система широко используется в Европе и обладает богатой функциональностью, достаточной для моделирования большинства систем ОрВД. Однако, данный комплекс является

самым дорогим решением среди рассмотренных систем, кроме того он отличается крайне высокими требованиями к аппаратному обеспечению и большим временем внедрения, поэтому использование данной системы на территории России в настоящее время не является целесообразным. Остальные комплексы не позволяют проводить имитационное моделирование в необходимом объёме (в частности, отсутствует способ динамического задания размера зоны моделирования для каждого упражнения, слишком большой шаг моделирования, отсутствует возможность оценки степени выполнения RNP).

Во второй главе представлено параллельное конструирование имитационной модели и проектирование программного средства ИВО. Решение этих двух задач одновременно возможно в случае правильного выбора и использования универсальных языков и методов объектно-ориентированного анализа и проектирования, поэтому перед построением модели был проведён анализ существующих методов описания архитектуры системы и методов создания сложных систем. В качестве метода описания архитектуры модели (языка моделирования) был выбран UML (Unified Modeling Language). В качестве базового метода проектирования был выбран метод COMET (Concurrent Object Modeling and Architectural Design Method), предназначенный для разработки параллельных, распределённых систем реального времени.

На первом этапе конструирования имитационной модели и ПС ИВО был проведён анализ требований к системе на базе модели прецедентов. С помощью данной модели были сформулированы решаемые задачи и определены функциональные требования к системе в терминах актёров и прецедентов. Так как число прецедентов для описываемой системы довольно велико, прецеденты были сгруппированы в пакеты по функциональной связанности: Пакет Прецедентов Общего Управления ВС, Пакет Прецедентов Таймера, Пакет Прецедентов Управления Выделенным ВС, Пакет Прецедентов Настройки Модели, Пакет Прецедентов Загрузки Модели Из БД, Пакет Прецедентов Управления Моделированием, Пакет Прецедентов Изменение Полётных Данных. В качестве актёров в модели выступили: Диспетчер, Пилот-оператор, Оператор ИВО,

Автопилот, Электронный борт, Таймер, Управляющий экспериментом и Система полётных данных.

Рис. 1. Высокоуровневая статическая модель ИВО.

Далее, на основе модели прецедентов, было проведено аналитическое моделирование комплекса, включающее построение статической и динамической моделей системы. Создание статической модели имитатора воздушной обстановки представляет собой анализ статического взгляда на систему в

терминах классов, их атрибутов и отношений между ними. Можно выделить следующие этапы статического описания модели, проведённого в рамках данной диссертационной работы:

1. Спроектирована статическая модель предметной области помощью диаграмм классов, на которых отражены отношения между объектами, встречающимися в предметной области.

2. Уточнена модель контекста системы с помощью диаграмм классов, на которых отражены интерфейсы между системой и внешними объектами. Эта модель выведена из вышеупомянутой статической модели предметной области (шаг 1). Данный этап необходим для ИВО, так как он является распределённой системой, управляющей различными внешними системами.

3. Разработана статическая модель сущностных классов предметной области, в которой отражены отношения между информационно насыщенными классами. Атрибуты большинства сущностных классов являются параметрами имитационной модели, т.е. такими характеристиками модели, которые задаются перед началом имитационных исследований очередного варианта системы и течении прогона не изменяются.

4. Определён словарь классов, в котором представлены атрибуты всех классов. На данном этапе произведено окончательное формирование списка параметров и переменных состояния имитационной модели.

Кроме того, на данном этапе моделирования реализовано разбиение системы на классы и объекты, с применением критериев разбиения на объекты для выявления классов и объектов в системе. На Рисунке 1 представлена высокоуровневая статическая модель ИВО, включающая классы для наиболее важных сущностей предметной области, а также связи между ними. В их число вошли: ЛТХ, План Упражнения, Метеообстановка, Полётный План (СИМПЛН), Структура ВП, База Данных, Упражнение, Настройка Модели, Модель, Управление экспериментом, Оператор, Диспетчер, Пилот-оператор, Автопилот, Радиолокатор, Радиокорректор, АЗН, RNP, Моделируемый ВС, Тактовый генератор, Статистика, Визуализация.

Рис. 2. Построение динамической модели имитатора воздушной обстановки (анализ прецедента «Изменить скорость»).

Динамическая модель была разработана для уточнения прецедентов из модели требований с целью определить, какие объекты участвуют в каждом прецеденте и как они взаимодействуют. Отправная точка для разработки динамической модели - это прецеденты и объекты, выявленные на этапе

разбиения на объекты. Для каждого прецедента были выполнены следующие шаги:

1. Определены участвующие в прецеденте объекты.

2. Разработана диаграмма взаимодействия объектов, на которой представлен порядок взаимодействий между объектами-участниками прецедента с анализом последовательности взаимодействий между объектами.

3. Приведена последовательность сообщений для каждой диаграммы взаимодействий, в которой документируется порядок этих взаимодействий.

Рис. 3. Высокоуровневая динамическая модель имитатора воздушной обстановки.

На рисунке 2 представлен блок динамической модели имитатора воздушной обстановки созданный на основе анализа прецедента «Изменить скорость». При разработке данной модели были составлены диаграммы взаимодействия для каждого прецедента. Консолидированная диаграмма кооперации, полученная путём объединения отдельных диаграмм в подсистемы, помогла перейти от анализа к проектированию и синтезировать начальный проект программы на основе полученных результатов - путём интегрирования различных частей аналитической модели. Динамические взаимодействия между подсистемами изображены на рисунке 3, где представлена высокоуровневая динамическая модель имитатора воздушной обстановки. По завершению аналитического моделирования осуществлён переход от анализа к проектированию.

В третьей главе приведено формирование взаимосвязей в имитационной модели, рассмотрены основные методы и алгоритмы, позволившие установить взаимосвязи между отдельными переменными состояния, а также переменными состояния и параметрами. При формализованном описании взаимосвязей были использованы физические и математические законы и соотношения, отображающие механизмы, логику и динамику функционирования моделируемой системы и её частей. Для описания взаимосвязей в данной модели использованы различные подходы, такие как формально-детерминированный, стохастический и алгоритмический.

Для реализации модели имитации динамики полёта был выбран метод численного интегрирования, дающий минимальные вычислительные затраты. Для решения этой задачи были проанализированы четыре метода численного интегрирования: Двухканальный метод, Метод Эйлера, Метод Симпсона и Метод Рунге - Кутта четвёртого порядка. Сравнительные результаты их применения при моделировании динамики полёта показали, что по вычислительным затратам наилучшим является двухканальный метод численного интегрирования (здесь затраты минимум на 30% меньше). Дополнительный выигрыш в вычислительных затратах может дать совместное рассмотрение метода численного интегрирования и способа аппроксимации правых частей дифференциальных уравнений,

вследствие этого для аппроксимации правых частей дифференциальных уравнений был применён метод трапеций при кусочно-линейной аппроксимации на разреженной сетке. Оценка погрешности данного метода аппроксимации, необходимая из-за нелинейной зависимости функции во времени, показала приемлемость получаемых погрешностей на одном шаге.

Приближённая оценка вычислительной производительности имитатора динамики полёта, с использованием перечисленных выше вычислительных методов, даёт приблизительно 600 арифметических операций на один шаг, из которых примерно половина длинных, что почти на порядок меньше числа, характерного для традиционного математического обеспечения.

Итак, разработанное программно-алгоритмическое обеспечение для проведения имитационного моделирования воздушного движения для МК ОрВД включает большое количество методов и алгоритмов (компоненты модели описаны в цели работы). Большинство из них было выбрано на основе анализа из существующих методов и алгоритмов, в частности это:

1. вычислительные методы для реализации модели имитации динамики полёта,

2. методы прогнозирования траекторного движения воздушных судов, а также алгоритмы моделирования отклонений от курса и стабилизации путевой и воздушной скорости,

3. алгоритмы перевычисление координат ВС и навигационных точек,

4. движение воздушных судов на различных этапах полёта (разгон по ВПП, СИД, движение по маршруту, СТАР, торможение по ВПП),

5. алгоритмы воспроизведения процедур обработки информации о местоположении воздушного судна, включая процедуры экстраполяции и интерполяции для отображения трека воздушного судна и сопровождающей его информации.

6. алгоритм расчёта соответствия движения воздушного судна критериям точности полёта по заданному маршруту,

7. методы имитации формирования запросов на информацию АЗН, передачу, прием и отображение сообщений АЗН требуемых типов и в заданых форматах,

8. алгоритм расхода топлива ВС на различных этапах полёта.

Часть алгоритмического обеспечения была разработана самостоятельно:

1. Имитационная модель, позволяющая осуществлять имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме для моделирующего комплекса организации воздушного движения в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы. Построение модели осуществлялось в нотации UML параллельно с проектированием программного обеспечения. Подробно данная часть рассмотрена в главе 2.

2. алгоритм формирования случайных реализаций траекторий ВС при полёте по заданному маршруту, позволяющий в режиме имитационного моделирования и в условиях ограниченных ресурсов смоделировать полёт ВС на следующих этапах:

^ полёт по маршруту без радиотехнических корректоров, ^ полёт по маршруту в зоне действия радиотехнических корректоров, полёт по маршруту при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров.

Работа алгоритма показана на Рис. 4.

Так как система работает в условиях ограниченных ресурсов, будем считать погрешности таких дальномерно-угломерных радиотехнических систем ближней радионавигации, как РСБН, VOR, ДМЕ, являются флуктуационными, а также, что погрешности измерений угломерного и дальномерного каналов некоррелированы (радиус корреляции равен нулю).

Вследствие этого при проведении сеанса местоопределения, например, по маяку VOR/ДМЕ погрешности местоположения ВС характеризуются двумя независимыми законами распределения

где: avm - среднеквадратическое отклонение ВС от трассы, обусловленное каналом VOR,

- среднеквадратическое отклонение ВС от трассы, обусловленное каналом ДМЕ,

ось ох' ориентирована вдоль радиус-вектора, соединяющего ВС и точку размещения наземного маяка VOR/ДМЕ, ось оу' ортогональна этому направлению.

Реальная траектория ВС при проведении маневрирования по боку с целью совмещения ££ показаний навигационного оборудования с опорной траекторией.

Возможный уход \

точностных характеристик при методе счисления пути после зоны коррекции.

В'- одна из реализаций точки местоположения ВС после проведения коррекции по VOR/DME (одна из случайных точек в пределах эллипса)

Маяк УОЯ/ОМЕ

Ях - радиус коррекции

Эллипс рассеяния с осями 2сгюя и 2а (вероятность 0,95)

2о>о* Реальное(истинное положение ВС на момент коррекции)

Реальная траектория ВС

- v

Рис. 4. Полёт по маршруту в зоне действия радиотехнических корректоров.

Рассеяние ошибок измеряемых на борту ВС навигационных параметров -дальности от ВС до маяка и азимутального угла а характеризуется эллипсом (в пространстве - эллипсоидом), одна из осей которого (поперечная направлению на маяк) определяется погрешностями угломерного канала (VOR), а другая ось (продольная) определяется погрешностями дальномерного канала Рис. 4 и Рис. 5. На Рис. 5 отдельно представлен этот эллипс погрешностей, оси которого равны 2стгал и 1<JDvr, что соответствует вероятности местонахождения ВС внутри него, равной 0,95.

3. Подход к оценке степени выдерживания точностных характеристик RNP в реальном времени при производстве полётов конкретных воздушный судов по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих радиотехнических средств.

Особенностью данного подхода является определение величины 3 как функционала, зависящего от следующих варьируемых параметров:

-У

Рис. 5. Случайная реализация местоположения ВС.

[Г0 > ^ SO 'Г РТС >3 РТС > & RNP

где:

- типовой состав и точностные характеристики бортового

оборудования,

Г ~ дислокация РТС, обеспечивающих коррекцию погрешностей

бортового оборудования (координаты размещения вдоль маршрута), технические характеристики РТС, В мр ~ ширина полосы удержания, определяемая выбранным типом КОТ. С помощью данного подхода в ИВО решаются следующие задачи:

1. Оценка с использованием методов имитационного моделирования степени выполнения точностных характеристик при производстве полётов конкретных ВС по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих РТС.

2. Представление точностных характеристик КОТ с помощью коэффициента I, равного

где: суммарное время, в течение которого ВС данного типа выполняет

полёт по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом ЯКР с учётом достижимых характеристик системы аэронавигации (бортовое оборудование и обеспечивающие РТС),

3. Получение распределения параметра вдоль маршрута полёта ВС, выделив наиболее опасные участки. Это существенно облегчит поиск решений по оптимизации размещения радиотехнических корректоров по трассе.

4. Отображение полученной статистики в виде гистограммы как по нарушению ЯКР на выбранном маршруте, так и по коэффициенту I.

5. Расчёт и отображение для каждого ВС участков маршрута, пройденных с нарушением ЯКР, а также общего километража пути вне интервала удерживания.

6. Усреднение полученной статистики по типу ВС или по выбранному маршруту с возможностью отображения полученных данных в виде таблицы, а также сохранением результатов в файл.

Анализ производительности системы, выполненный по завершению процесса проектирования, особенно важен для систем реального времени и потому необходим в случае существенных ограничений на ресурсы. Анализу был подвергнут проект имитатора воздушной обстановки, концептуально исполняемый на данной аппаратной конфигурации с рассчитанной внешней рабочей нагрузкой. С помощью метода анализа производительности проекта, основанном на теории планирования в реальном времени и специализированном для систем реального времени, определялось, будут ли выполнены наложенные ограничения. В качестве основы, для расчёта производительности, бралась система на основе процессора Pentium III - 800 МГц. Задав среднее количество радиокорректоров равное трём и радиолокаторов равное трём, было получено, что при имитации до 155 ВС включительно все задачи гарантированно успевают выполниться в срок. Некоторые ресурсоёмкие задачи, такие как добавление/изменение СИМГТЛНа, являются апериодическими и выполняемыми в процессе имитации крайне редко, в силу чего максимальное число параллельно моделируемых ВС может значительно возрастать. Также, если необходимо большее количество ВС, можно отключать некоторые периодические задачи, такие как визуализация, расчёт RNP или формирование статистики. Кроме того, возможно использование компьютеров с более мощным центральным процессором (ЦП).

В четвёртой главе осуществлена проверка адекватности созданной модели на базе сравнения с реально действующей системой ОрВД с помощью проведения тестового моделирования. В качестве теста рассматривается демонстрационная задача воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург с параллельным формированием статистики о выполнении полётов по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом достижимых характеристик системы аэронавигации (бортовое оборудование и обеспечивающие РТС).

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

В приложениях представлена реализация ИВО в виде диаграмм классов в нотации иМЬ с подробно рассмотренной структурой ИВО, его основными классами и их назначением, приведено описание человеко-машинного интерфейса ИВО, а также приведены исходные данные для тестового моделирования на маршруте Москва-Екатеринбург.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На базе анализа современного состояния проблемы моделирования воздушной обстановки, включающего исследование и сравнение существующих систем моделирования воздушного движения, поставлена задача разработки программно-алгоритмического обеспечения стенда имитационного моделирования, позволяющего производить моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме при ограниченных ресурсах в режимах реального и ускоренного масштаба времени.

2. Осуществлён аргументированный выбор с анализом производительности вычислительных методов и алгоритмов, необходимых для имитации движения ВС, в частности метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке и метод спирального прогнозирования для прогнозирования траекторного движения при имитации движения ВС.

3. Разработана имитационная модель, позволяющая проводить имитационное моделирование воздушной обстановки в составе МК ОрВД в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы, т.е. решать все задачи, сформулированные в начале работы.

4. Разработан алгоритм формирования случайных реализаций траекторий ВС при полёте по заданному маршруту, включающий этапы полёта без радиотехнических корректоров, в зоне действия радиотехнических корректоров, а также при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров, который может быть реализован в условиях ограниченных ресурсов.

5. Разработана методика оценки с использованием методов имитационного моделирования степени выполнения точностных характеристик при производстве полётов конкретных ВС по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих радиотехнических средств с представлением точностных характеристик.

6. Спроектировано и реализовано программное средство (ИВО), реализующее предложенную имитационную модель с возможностью разнесения подгружаемых блоков (статистики, оценки КОТ и радиолокационных средств) на различные ПК одной ЛВС. ПС обладает следующими свойствами, выделяющими его из подобных комплексов:

способностью осуществлять полунатурное (в реальном времени) и ускоренное имитационное моделирование воздушного движения с одновременной визуализацией воздушного пространства; ^ загрузкой данных (летно-технических характеристик ВС, структуры воздушного пространства, метеообстановки, параметров упражнения и др.) в модель из БД на сервере, что позволяет значительно уменьшить время подготовки модели к запуску, а также обеспечивает дополнительную гибкость настройки;

возможностью осуществить настройку модели в ИВО непосредственно перед имитацией воздушного движения, а также, через сервер, удалённо вводить в модель новые полётные планы в процессе моделирования; возможностью осуществлять моделирование как в полностью автоматическом режиме (управление осуществляется удалённо из подсистемы «Руководитель эксперимента»), так и в ручном режиме с использованием интерфейса ИВО; ^ легкой интеграцией с другими подсистемами МК ОрВД, такими как подсистема информационного обслуживания рабочих мест диспетчеров, подсистема организации потоков воздушного движения, рабочие местами диспетчеров и пилотов-операторов через ЛВС, что обеспечивает гибкость, расширяемость и простоту настройки комплекса в целом.

7. Произведено тестовое моделирование МВЗ в реальном и ускоренном масштабе времени (в течение 24 часов был смоделирован 791 ВС), а также воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург с параллельным накоплением статистики по степени выдерживания точностных характеристик RNP. Приведённые замеры показали, что модель не противоречит отечественным и зарубежным данным и осуществляет имитационное моделирование с заданной точностью. Комплекс был принят к эксплуатации головной организацией ГОС НИИ "Аэронавигация", что подтверждается актом внедрения, а также продемонстрирован на выставке АВИА-2004.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Рейтлингер CA, Торшин АД., Торшин Н.А., Штарёв А.В. Комплекс имитационного и полунатурного моделирования процессов организации воздушного движения // Авиация и Космонавтика - 2003: Труды 2-ой международной выставки и конференции. 3-9 ноября 2003 г., Москва. -М.: Изд-во МАИ, 2003. -С.233-234.

2. Рейтлингер С.А., Торшин А.Д. Моделирование и оценка выполнения требуемых навигационных характеристик (RNP) при производстве полётов ВС /7 Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XII Международного научно-технического семинара. Сентябрь 2003 г., Алушта. -М.: Изд-во МЭИ, 2003. -С. 288-289.

3. Рейтлингер С.А., Торшин АД., Торшин Н.А, Штарев А.В. Комплекс моделирования процессов организации воздушного движения // Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации: Труды XII Международного научно-технического семинара. Сентябрь 2003 г., Алушта. -М.: Изд-во МЭИ, 2003. -С. 290-291.

4. Осипов В.Г. Рейтлингер С.А., Торшин А.Д., Торшин Н.А. Моделирование выполнения требуемых навигационных характеристик RNP при производстве полётов ВС // Аннотированный сборник докладов: Отчетная конференция по подпрограмме "Транспорт" научно-технической

программы Минобразования России "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники". Январь 2003 г., Москва. - М: Изд-во МАИ, 2003. -С. 166-167.

5. Осипов В.Г., Рейтлингер С.А., Торшин А.Д., Торшин Н.А., Штарёв А.В. Разработка функционального обеспечения моделирующего комплекса процессов организации воздушного движения РФ // Аннотированный сборник докладов: Отчетная конференция по подпрограмме "Транспорт" научно-технической программы Минобразования России "Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники". Январь 2003 г., Москва. -М.: Изд-во МАИ, 2003. -С.

6. Разработка средств поддержки принятия решений для моделирующего комплекса процессов организации воздушного движения РФ // Отчет по НИР, № гос. Регистрации 01200302193, инв. № 02200301262. -М: МАИ, 2002 г.

7. Власов В.И., Мастрюков А.С., Рейтлингер С.А., Торшин А.Д., Торшин Н.А., Штарёв А.В. Моделирующий комплекс процессов организации воздушного движения РФ // Сб. научных трудов "Проблемы организации воздушного движения Безопасность движения", Выпуск 5. -М.: ГосНИИ "Аэронавигация", 2004 -С.66-70

Подписано в печать Формат 30x42 1/8. Бумага типографская № 1. Печать офсетная.

Печ. л. ^. Тираж экз. Заказ

125080, Москва, Волоколамское ш., 11 Издательский комплекс МГУПП

»22 en 7

171

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ ОБСТАНОВКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

1.1. Описание основных моделируемых процессов.

1.1.1. Задание и отработка плана полёта.

1.1.2. Динамика процесса движения отдельного ВС.

1.1.3. Функционирование автопилота.

1.1.4. Информационное взаимодействие ВС с центрами управления полётом.

1.1.5. Процесс возникновения навигационных ошибок и их коррекция.

1.1.6. Радиолокационное наблюдения.

1.1.7.Оценка нарушения RNP.

1.1.8.Исходные данные для моделирования.

1.2. Сравнение возможностей существующих имитаторов воздушной обстановки. т 1.3. Постановка задачи.

Выводы по главе.

2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИВО.

2.1. Эволюция методов объектно-ориентированного анализа и проектирования.

2.2. Обзор современных методов проектирования параллельных систем и систем реального времени.

2.3. Выбор способа описания архитектуры.

2.3.1.Универсальный язык моделирования.

2.4. Модель процесса разработки.

2.4.1. Сравнение жизненного цикла ИВО с другими процессами разработки ПО.

2.4.1.1. Сравнение жизненного цикла ИВО с USDP.

2.4.1.2. Сравнение жизненного цикла ИВО со спиральной моделью.

2.5. Моделирование требований.

2.5.1. Моделирование прецедентов.

2.5.1.1. Прецеденты общего управления ВС. ф 2.5.1.2. Прецеденты Таймера.

2.5.1.3. Прецеденты Управления Выделенным ВС.

2.5.1.4. Прецеденты Настройки Модели.

2.5.1.5. Прецеденты Загрузки Модели Из БД.

2.5.1.6. Прецеденты Управления Моделированием.

2.5.1.7. Прецеденты Изменения Полётных Данных.

2.6. Разработка Аналитической модели.

2.6.1. Статическое моделирование.

2.6.1.1. Построение контекста классов ИВО.

2.6.1.2. Построение модели сущностных классов.

2.6.1.3. Определение словаря классов.

2.6.2. Начальное разбиение ИВО на подсистемы.

2.6.3. Динамическое моделирование.

2.6.3.1. Динамическое моделирование прецедентов управления

2.6.3.2. Динамическое моделирование прецедентов таймера.

2.6.3.3. Динамическое моделирование прецедентов управления выделенным ВС.

2.6.3.4. Динамическое моделирование прецедентов настройки модели.

2.6.3.5. Динамическое моделирование прецедентов загрузки модели из БД.

2.6.3.6. Динамическое моделирование прецедентов управления моделированием.

2.6.3.7. Динамическое моделирование прецедентов изменения полётных данных.

2.7. Разработка проектной модели.

2.8. Структура алгоритма ИМ.

2.8.1.Структура обобщённого алгоритма ИМ.

2.8.2.Структура алгоритма обработки одного ВС.

Выводы по главе.

ФОРМИРОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ В ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ.

3.1. Вычислительные методы.

3.1.1.Практические приближённые способы аппроксимации.

3.1.2.Кусочно-линейная интерполяция на разреженной сетке.

3.1.3.Методы численного интегрирования.

3.1.3.1. Классические методы.

3.1.3.2. Двухканальный метод быстрого численного интегрирования.

3.1.3.3. Метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке.

3.1.4. Анализ производительности выбранных методов.

3.2. Сопровождение воздушных судов.

3.2.1.Имитация формирования сообщений системы АЗН.

3.2.2. Отображение координатных отметок.

3.3. Имитация полёта.

3.3.1.Математические модели динамики полёта.:.

3.3.2.Уравнения моментов.

3.3.3.Кинематические уравнения вращательного движения.

3.3.4.Уравнения сил (ускорений).

3.3.5.Кинематические уравнения движения центра масс в нормальной земной СК.

3.3.6.Уравнение динамики полёта.

3.3.7.Расчёт элементов пространственного манёвра ВС.

3.4. Прогнозирование траекторного движения ВС.

3.4.1.Физическая интерпретация спирального движения.

3.4.2.Изменение матрицы направляющих косинусов.

3.4.3.Промежуточная СК.

3.4.4.Формулы для земных координат и скоростей.

3.4.5. Достоинства спирального прогнозирования в ИВО.

3.5. Имитация изменения курса.

3.6. Формирование случайных реализаций траекторий движения

3.6.1.Полёт по маршруту без радиотехнических корректоров.

3.6.2.Полёт по маршруту в зоне действия радиотехнических корректоров.

3.6.3.Алгоритм по формированию траектории полёта ВС в зоне коррекции.

3.6.4. Полёт по маршруту при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров.

3.6.5.Моделирование радиокорректоров типа РСБН, ДМЕ/ДМЕ, приводных радиостанций (ПРС), спутниковой аппаратуры потребителей GNSS.

3.7. Оценка выполнения RNP.

3.8. Анализ производительности модели.

3.8.1.Теория планирования в реальном времени.

3.8.2.Планирование в реальном времени в ИВО.

3.9. Программная реализация ИМ.

Выводы по главе.

4. ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИВО.

4.1. Проведение тестового моделирования на маршруте Москва-Екатеринбург.

4.2. Проверка адекватности имитационной модели.

4.3. Результаты проведённого тестового моделирования.

Выводы по главе.

ф Актуальность работы. Постановлением Правительства РФ №144 от 22 февраля 2000 г. утверждена Концепция модернизации и развития Единой системы организации воздушного движения России. Концепция определяет пути эволюционного перехода от традиционной к перспективной федеральной аэронавигационной системе РФ на базе использования перспективных наземных, бортовых и космических средств и систем связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения CNS/ATM ИКАО.

Применение глобальных систем связи, навигации, наблюдения и линий передачи цифровых данных, объединяющих все элементы аэронавигационной системы в единый автоматизированный комплекс обуславливает необходимость использования методов моделирования при создании, сертификации и эксплуатации аэронавигационной системы, а также для оценки её эффективности [9]. Для увеличения эффективности воздушного движения необходима отработка организационных, тактических, технических и экономических решений путём использования перспективной современной моделирующей базы [35].

Разработка перспективного моделирующего комплекса позволит использовать математическое, имитационное и полунатурное моделирование для проведения перспективных и прикладных исследований процессов в системе ОрВД, в том числе: процессов и систем обслуживания (управления) воздушного движения; процессов и систем организации потоков воздушного движения; процессов организации воздушного пространства в целях обеспечения обслуживания (управления) воздушного движения и организации потоков воздушного движения.

Для полноценного функционирования такого моделирующего комплекса необходимы средства имитационного моделирования воздушной обстановки.

Необходимость в построении имитационной модели обусловлена как невозможностью создания адекватной математической модели воздушной обстановки, так и необходимостью изменения параметров модели в щ> соответствии с аналогичным изменением этих параметров в реальной системе. Диссертационная работа и посвящена созданию программного средства, осуществляющего имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме при реальной загрузке в режимах реального и ускоренного масштаба времени, обеспечивая требуемую точность имитации при существенных ограничениях на ресурсы. Этим и определяется её актуальность.

В мире существуют программные средства со схожей функциональностью, но они не удовлетворяют в полной мере всем требованиям поставленной задачи. Большинство зарубежных систем имитационного моделирования воздушной обстановки отличаются крайне высокими стоимостью и требованиями к аппаратному обеспечению при стандартном наборе функций, а системы, доступные для внедрения, отличаются весьма

А ограниченной функциональностью. В частности, к основным отличиям разработанного в диссертации имитатора воздушной обстановки от существующих аналогов, можно отнести имитационную модель воздушной обстановки с шагом моделирования воздушного движения 0.1 с, включающую блок имитации движения воздушных судов на всех этапах полёта и средств наблюдения, а также разработанный алгоритм формирования случайных реализаций траекторий воздушных судов при полёте по заданному маршруту, позволяющий производить оценку нарушений требуемых навигационных характеристик на трассах с параллельным формированием статистики о выполнении полётов по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом характеристик системы бортового оборудования и обеспечивающих радиотехнические средств.

Щ Цель работы. Разработка программно-алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования воздушной обстановки в составе МК ОрВД в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы.

Основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе: ж анализ методов и средств моделирования воздушной обстановки с описанием их возможностей, позволивший сформировать набор функциональности для ИВО; создание имитационной модели, позволившей производить моделирование воздушной обстановки в заданном объёме в режиме реального и ускоренного масштаба времени обеспечивая требуемую точность имитации; проектирование и разработка программного средства, реализующего данную имитационную модель.

Разработанная модель включает: имитацию движения воздушных судов, что позволяет моделировать необходимое число ВС на всех этапах полёта (взлёт, движение по стандартной траектории для вылетающих ВС, движение по маршруту, ф движение по стандартной траектории для прилетающих ВС, посадка), включая прогнозирование траекторного движения ВС и моделирование отклонений от курса с учётом: маршрута, определенного в плане полета (имитации), данных о метеообстановке, задаваемых при подготовке параметров моделирования, летно-технических характеристик имитируемых ВС, команд, вводимых диспетчерами и пилотами-операторами; имитацию средств радиолокационного наблюдения и радиокорректоров типа VOR/DME, РСБН, ПРС и GNSS с формированием данных о координатах ВС в нескольких основных системах координат; имитацию формирования сообщений системы автоматического зависимого наблюдения, а также формирования запросов на информацию АЗН и ф отображение сообщений АЗН; имитацию воспроизведения процедур обработки информации о местоположении ВС, включая процедуры экстраполяции и интерполяции для отображения трека ВС и сопровождающей его информации; имитацию расчёта расхода топлива каждым ВС с возможностью вывода его остатка и ежеминутного расхода; оценку с использованием методов имитационного моделирования степени выполнения точностных характеристик при производстве полётов конкретных ВС по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих РТС с представлением точностных характеристик RNP; расчёт распределения суммарного времени, в течение которого ВС данного типа выполняет полёт по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом характеристик бортового оборудования и обеспечивающих РТС, вдоль маршрута полёта ВС с выделением наиболее опасных участков.

Методы исследования. При разработке имитационной модели использовались методы численного интегрирования (метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке), методы прогнозирования траекторного движения (спиральное прогнозирование), методы перевычисления координат между различными координатными системами, элементы теории полёта и теории случайных процессов, методы математического и имитационного моделирования.

При проектировании и программной реализации ИВО использовались методы проектирования информационных систем реального времени, методы объектно-ориентированного и системного программирования.

Основные научные результаты: > имитационная модель, позволяющая осуществлять имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме для моделирующего комплекса организации воздушного движения в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы; алгоритм формирования случайных реализаций траекторий воздушных судов при полёте по заданному маршруту, включающий этапы полёта без радиотехнических корректоров, в зоне действия радиотехнических корректоров и при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров, особенностью которого является возможность реализации в условиях ограниченных ресурсов; подход к оценке степени выдерживания точностных характеристик RNP в реальном времени при производстве полётов конкретных воздушных судов по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих радиотехнических средств.

Практическая значимость. Имитатор воздушной обстановки, спроектированный и реализованный в рамках данной диссертационной работы, является подсистемой созданного Московским авиационным институтом и ГосНИИ «Аэронавигация» комплекса моделирования процессов организации воздушного движения [43], являющегося основой экспериментальной базы, позволяющей использовать математическое, имитационное и полунатурное моделирование при проведении различных исследований в области ОрВД, начиная с вопросов моделирования воздушных потоков в конкретном районе и кончая вопросами стратегического и оперативного планирования воздушного движения [40, 71].

Основные практические результаты:

Спроектировано и реализовано программное средство, реализующее предложенную имитационную модель и позволяющее проводить полунатурное (в реальном времени) и ускоренное имитационное моделирование в автоматическом и ручном режимах с одновременной визуализацией воздушного пространства. Разработанное ПО является подсистемой созданного Московским авиационным институтом и ГосНИИ «Аэронавигация» моделирующего комплекса ОрВД.

Произведено демонстрационное моделирование воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург с параллельным накоплением статистики по степени выдерживания точностных характеристик RNP. комплекс был принят к эксплуатации ГОС НИИ "Аэронавигация", что подтверждается актом внедрения, а также продемонстрирован на выставке АВИА-2004, где был награждён дипломом с медалью.

Структура и объём работы. В первой главе проводится описание основных процессов, отображение которых должно осуществляться в ИВО. Далее в данной главе проводится анализ наиболее распространенных комплексов, предназначенных для моделирования воздушной обстановки. Описываются основные функции систем, а также главные достоинства и недостатки. В конце главы, приводиться сравнение существующих имитаторов воздушной обстановки, таких как EUROCAT 2000, OASIS и CTAS, определяются необходимые задачи.

Во второй главе представлено конструирование имитационной модели и проектирование программного средства ИВО, производится выбор способа описания архитектуры модели и обоснование данного выбора (п. 2.3). После этого описывается метод разработки системы (п. 2.4), обосновывается выбор данного метода разработки, кроме того, производиться сравнение с другими популярными методами разработки (п. 2.4.1).

Далее в данной главе проводиться аналитическое моделирование (п. 2.6), строятся статическая и динамическая модели системы. С помощью статической модели описываются структурные отношения между классами предметной области, а для выявления объектов, рассматриваемых в аналитической модели, применяется метод разбиения на объекты. Далее рассматривается динамическая модель, где с помощью диаграмм состояний определяются объекты, зависящие от состояния. В завершение описывается проектное моделирование, а также приводится описание структуры алгоритма ИМ.

В третьей главе рассмотрены основные методы и алгоритмы, позволяющие создать математическую модель [21] и на её основе осуществить имитационное и полунатурное моделирование [37, 46] в ИВО. В начале главы проводится анализ вычислительных методов, применяемых при разработке имитаторов движения ВС, на основе котрого осуществляется аргументированный выбор вычислительных методов, необходимых для реализации имитатора воздушной обстановки. Далее рассматриваются наиболее важные методы и алгоритмы, использваонные в ИВО:

Движение ВС на всех этапах полёта (взлёт, СИД, движение по маршруту, СТАР, посадка), а также прогнозирование траекторного движения ВС и моделирование отклонений от курса (п.п. 3.3 - 3.6).

Формирование случайных реализаций траекторий движения ВС, для чего также моделируется работа станций радиолокационного наблюдения и радиокорректоров типа VOR/DME, РСБН, DME/DME, ПРС и GNSS (п. 3.6).

Непрерывная оценка нарушений RNP на трассах с параллельным формированием статистики о выполнении полётов по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом достижимых характеристик системы аэронавигации (бортовое оборудование и обеспечивающие РТС).

В завершение главы проводится анализ производительности построенной системы.

В четвёртой главе рассматривается варианты использования ИВО, проверяется адекватность построенной ИМ. Приводятся результаты тестового моделирования воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 84 наименований. Общий объём диссертации - 272 страницы машинописного текста, включает 106 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На базе анализа современного состояния проблемы моделирования воздушной обстановки, включающего исследование и сравнение существующих систем моделирования воздушного движения, поставлена задача разработки программно-алгоритмического обеспечения стенда имитационного моделирования, позволяющего производить моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме при ограниченных ресурсах в режимах реального и ускоренного масштаба времени.

2. Осуществлён аргументированный выбор с анализом производительности вычислительных методов и алгоритмов, необходимых для имитации движения ВС, в частности метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке и метод спирального прогнозирования для прогнозирования траекторного движения при имитации движения ВС.

3. Реализованы блоки имитационной модели, такие как блок движения необходимого числа ВС на всех этапах полёта, блок имитации формирования сообщений системы АЗН, алгоритмы воспроизведения процедур обработки информации о местоположении ВС.

4. Разработан алгоритм формирования случайных реализаций траекторий ВС при полёте по заданному маршруту, включающий этапы полёта без радиотехнических корректоров, в зоне действия радиотехнических корректоров, а также при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров, который может быть реализован в условиях ограниченных ресурсов.

5. Разработана методика оценки с использованием методов имитационного моделирования степени выполнения точностных характеристик при производстве полётов конкретных ВС по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих радиотехнических средств с представлением точностных характеристик.

6. Спроектировано и реализовано программное средство ИВО, реализующее предложенную имитационную модель с возможностью разнесения подгружаемых блоков (статистики, оценки RNP и радиолокационных средств) на различные ПК одной ЛВС. ПС обладает следующими свойствами, выделяющими его из подобных комплексов: способностью осуществлять полунатурное (в реальном времени) и ускоренное имитационное моделирование воздушного движения с одновременной визуализацией воздушного пространства; загрузкой данных (летно-технических характеристик ВС, структуры воздушного пространства, метеообстановки, параметров упражнения и др.) в модель из БД на сервере, что позволяет значительно уменьшить время подготовки модели к запуску, а также обеспечивает дополнительную гибкость настройки; возможностью осуществить настройку модели в ИВО непосредственно перед имитацией воздушного движения, а также, через сервер, удалённо вводить в модель новые полётные планы в процессе моделирования; возможностью осуществлять моделирование как в полностью автоматическом режиме (управление осуществляется удалённо из подсистемы «Руководитель эксперимента»), так и в ручном режиме с использованием интерфейса ИВО; легкой интеграцией с другими подсистемами МК ОрВД, такими как подсистема информационного обслуживания рабочих мест диспетчеров, подсистема организации потоков воздушного движения, рабочие местами диспетчеров и пилотов-операторов через ЛВС, что обеспечивает гибкость, расширяемость и простоту настройки комплекса в целом.

7. Произведено тестовое моделирование МВЗ в реальном и ускоренном масштабе времени (в течение 24 часов был смоделирован 791 ВС), а также воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург с параллельным накоплением статистики по степени выдерживания точностных характеристик RNP. Приведённые замеры показали, что модель не противоречит отечественным и зарубежным данным и осуществляет имитационное моделирование с заданной точностью. Комплекс был принят к эксплуатации головной организацией ГОС НИИ "Аэронавигация", что подтверждается актом внедрения, а также продемонстрирован на выставке АВИА-2004.

1. Александреску А. Современное проектирование на С++. Т. 3. М.:Вильямс, 2002. 336 с.

2. Александров В. В., Садовничий В. А., Чугунов О.Д. Математические задачи динамической имитации полёта. М.: Изд-во МГУ. 1986, 181 с.

3. Бахвалов Н. И., Жидков Н. П., Кобельков Г. М. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2003. 632 с.

4. Бегичев Ю.И. Расширение возможностей имитационных систем / Тезисы докладов III Всесоюзн. Научно-техн. Конф. «Тренажёры и компьютеризация профессиональной подготовки», Калининград, 1-3 октября 1991 г. Ч. 2. М.:Изд. СНИО СССР, 1991. С. 204-205.

5. Боднер В.А., Закиров Р.А., Смирнов И.И. Авиационные тренажёры. М.: Машиностроение, 1978. 192 с.

6. Васильков Ю. В., Василькова Н. Н. Компьютерные технологии вычислений в математическом моделировании. М.: Финансы и статистика, 1999. 256 с.

7. Вержбицкий В. М. Основы численных методов. М: Высшая Школа, 2002. 840 с.

8. Вержбицкий В. М. Численные методы. Математический анализ и обыкновенные дифференциальные уравнения. М: Высшая Школа, 2001. 382 с.

9. Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. 608 с.

10. Буч Г. Объектно-ориентированный анализ и проектирование с примерами приложений на С++. СПб.: Невский Диалект, 1998. 560 с.

11. Гома X. UML. Проектирование систем реального времени, распределенных и параллельных приложений. М.:ДМК, 2002. 704 с.

12. Грегори Р. Эндрюс Основы многопоточного, параллельного и распределенного программирования. М.: Вильяме, 2003. 512 с.

13. Дейтел П. Дж., Дейтел Х.М. Как программировать на С++. Введение в объектно-ориентированное проектирование с использованием UML. М.: Бином, 2001. 1152 с.

14. Белоцерковский С. М., Кочетков Ю. А., Красовский А. А., Новицкий В.В. Введение в аэроавтоупругость. М.: Наука, 1980. 384 с.

15. Жуковский А.П., Расторгуев В.В. Комплексные радиосистемы навигации и управления самолётов. М.:МАИ, 1998. 265 с.

16. Кендалл С. Основные концепции UML. М.: Вильяме, 2002. 144 с.

17. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике. М.: Наука, 1978. 832 с.

18. Корнеев В. В. Параллельные вычислительные системы. М.: Нолидж, 1999. 320 с.

19. Костевич Л. С. Математическое программирование. Мн: Новое знание, 2003. 424 с.

20. Краснощёков В. С., Петров А. А. Принципы построения моделей. М: Фазис, 2000, 424 с.

21. Красовский А. А. Аппроксимация функций многих аргументов в системах цифрового моделирования // Изв. АН СССР. Техн. Кибернет., 1989. №6 С. 139-144.

22. Красовский А. А., Лопатин В. И., Наумов А. И., Самолаев Ю. Н. Авиационные тренажёры. М.: Изд. ВВИА им. Жуковского, 1992. 320 с.

23. Красовский А. А. Математическое моделирование и компьютерные системы обучения и тренажа. М.: Изд. ВВИА им. Жуковского, 1989. 255 с.

24. Красовский А. А. Метод быстрого численного интегрирования одного класса динамических систем // Изв. АН СССР. Техн. Кибернет. 1989. № 1. С. 3 14.

25. Крылов В. И., Бобков В. В., Моностырный П. И. Вычислительные методы. М.: Наука, 1976. Т. 1. 303 с.

26. Крег JI. Применение UML и шаблонов проектирования. М.: Вильяме, 2002. 624 с.

27. Лешек А. Мацяшек. Анализ требований и проектирования систем. Разработка информационных систем с использованием UML. М.: Вильяме, 2002. 432 с.

28. Липаев В. В. Обеспечение качества программных средств. Методы и стандарты. М.: СИНТЕГ, 2001. 380 с.

29. Микиша А. М., Орлов В. Б. Толковый математический словарь. Основные термины. М.: Русский язык, 1988. 244 с.

30. Михалев И. А., Окоёмов Б. Н., Павлина И. Г. и др. Системы автоматического управления самолётом. М.: Машиностроение, 1971. 464 с.

31. Новые тенденции в развитии авиационных тренажёров // Авиастроение. Экспресс-информация. М.: ВИНИТИ. 1989. № 42. С. 1-4.

32. Орлов С. А. Технологии разработки программного обеспечения. Разработка сложных программных систем. СПб.:Питер, 2002, 464 с.

33. Павловский Ю. Н. Имитационные модели и системы. М: Фазис, 2000. 144 с.

34. Подчуфаров Ю. Б. Физико-математическое моделирование систем управления и комплексов. М.: Физматлит, 2002. 168 с.

35. Правила полётов и обслуживание воздушного движения. Doc 4444-RAC/501/12, ICAO, 1985.

36. Применение локальных вычислительных сетей на тренажёрах и испытательных стендах, работающих в реальном масштабе времени // Авиастроение. Экспресс-информация. М.: ВИНИТИ. 1988. № 17. С. 23-27.

37. Разработка средств поддержки принятия решений для моделирующего комплекса процессов организации воздушного движения РФ // Отчет по НИР, № гос. Регистрации 01200302193, инв. № 02200301262. -М: МАИ, 2002 г.

38. Руководство по требуемым навигационным характеристикам (RNP). Doc 9613-AN/937, ICAO, 1994.

39. Самарский А. А., Михайлов А. П. Математическое моделирование. М.: Физматлит, 2001. 320 с.

40. Хахулин Г. Ф. Основы конструирования имитационных моделей. М.: НПК Поток, 2002г. 221 с.

41. Элиенс А. Принципы объектно-ориентированной разработки программ. М.: Вильяме, 2002. 496 с.

42. Awad, М., J. Kuusela, and J. Ziegler. Object-Oriented Technology for RealTime Systems. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1996.

43. Booch, G. «Object Oriented Development.» НЕЕ Transactions on Software Engineering 12, no. 2 (February 1986): 211 221.

44. Booch, G. Object-Oriented Design with Applications. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1991.

45. Booch, G. Object-Oriented Design with Applications. 2d ed. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1994.

46. Buhr, R. J. A., and R. S. Casselman. Use Case Maps for Object-Oriented Systems. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1996.

47. Chen, P. «The Entity Relationship Model Towards a Unified View of Data.» ACM Transactions on Database System 1, no. 1 (1976): 9 - 36.

48. Coad, P., and E. Yourdon. Object-Oriented Analysis. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1991.

49. Coad, P., and E. Yourdon. Object-Oriented Design. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1992.

50. Cobryn, C. «UML 2001: A Standartization Odyssey.» Communications ACM 42, no. 10 (October 1999): 29 37.

51. Douglass, B. P. Doing Hard Time: UML, Objects, Frameworks, and Patterns in Real-Time Software Development. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1999.

52. Douglass, B. P. Real-Time UML. 2d ed. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1999.

53. Coleman, D., P.Arnold, S.Bodoff, C.Dollin, H.Gilchrist, F.Hayes, and PJeremaes. Object Oriented Development, The Fusion Method. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1993.

54. Gomaa, H. «А Software Design Method for Real Time Systems.» Communications ACM 29, no. 7 (July 1986): 657 668.

55. Gomaa, H. «А Software Development of Real Time Systems.» Communications ACM 27, no. 9 (September 1984): 938 949.

56. Gomaa, H. Software Design Methods for Concurrent and Real-Time Systems. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1993.

57. Harel, D., «On Visual Formalisms.» CACM 31, no. 5 (May 1988): 514 530.

58. Harel, D., and M. Politi. Modeling Reactive Systems with Statecharts. New York: McGraw Hill, 1998.

59. Jackson, M. System Development. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1983.

60. Jacobson, I. Object-Oriented Software Engineering. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1992.

61. Jacobson, I., G. Booch, and J. Rumbaugh. The Unified Software Development Process. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1999.

62. Lehoczy, J. P., L. Sha, and Y. Ding. The Rate Monotonic Scheduling Algorithm: Exact Characterization and Average Case Behavior. Proceeding IEEE RealTime Systems Symposium. San Jose, Calif.: December 1987.

63. Liu, С. L., and J. W. Layland. «Scheduling Algorithms for Multiprogramming in Hard Real-Time Environments.» Journal ACM 20, no. 1 (January 1973). Also in Stankovic, J. A. and K. Ramamritham. Hard Real-Time Systems (1988).

64. Orlansky J. and String J. Reaping the Benefits of Flight Simulation // Defense Management J. 1980. V. 16. № 4.

65. Parnas, D., P. Clements and D. Weiss The Modular Structure of Complex Systems. Proceedings Seventh IEEE International Conference on Software Engineering. Orlando, Fla.: March 1984.

66. Peckham, J., and F. Maryanski. «Semantic Data Models.» ACM Computing Surveys 20, no. 3 (September 1988): 153 190.

67. Rosenberg, D., and K. Scott. Use Case Driven Object Modeling with UML. Reading, Mass.: Addison-Wesley, 1999.

68. Rambaugh, J., J. M. Blaha, W. Premerlani, F. Eddy, and W. Lorenson. Object-Oriented Modeling and Design. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1991.

69. Selic, B. «Turning Clockwise: Using UML in the Real-Time Domain.» Communications ACM 42, no. 10 (October 1999): 46 54.

70. Selic, В., G. Gullekson, and P. Ward. Real-Time Object-Oriented Modeling. New York: John Wiley & Sons, 1994.

71. Sha, L., and J. B. GoodEnough. «Real-Time Scheduling Theory and Ada.» IEEE Computer 23, no.4 (April 1990). Also CMU/SEI-89-TR-14, Software Engineering Institute, Pittsburgh, Pa., 1989.

72. Shlaer, S., and S. Mellor. Object-Oriented Systems Analysis. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1988.

73. Shlaer, S., and S. Mellor. Object Lifecycles Modeling the World in States. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1992.

74. Software Engineering Institute, Carnegie Mellon University. A Practitioner's Handbook for Real-Time Analysis Guide to Rate Monotonic Analysis for Real-Time Systems. Boston: Kluwer Academic Publishers, 1993.

75. Sprunt, В., J. P. Lehoczy, and L. Sha. «Aperiodic Task Scheduling for Hard Real-Time Systems.» The Journal of Real-Time Systems 1 (1989): 27 60.

76. Texel, P., and C. Williams. Use Case Combined With Booch/OMT/UML: Process and Products. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1997.

77. Wirfs-Brock, R., B. Wilkerson, and L. Wiener. Designing Object-Oriented Software. Englewood Cliffs, N.J.: Prentice Hall, 1990.