автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.03, диссертация на тему:Комплексная система раннего предупреждения приближения к земле с расширенными функциональными возможностями и программно-алгоритмические средства, минимизирующие вероятность ложной сигнализации

На правах рукописи

УДК 629 7 05

□03067420

Дрягин Дмитрий Михайлович

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА РАННЕГО ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ПРИБЛИЖЕНИЯ К ЗЕМЛЕ С РАСШИРЕННЫМИ ФУНКЦИОНАЛЬНЫМИ ВОЗМОЖНОСТЯМИ

И ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА, МИНИМИЗИРУЮЩИЕ ВЕРОЯТНОСТЬ ЛОЖНОЙ СИГНАЛИЗАЦИИ

Специальность 05 11 03 "Приборы навигации" (технические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва-2006

003067420

Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные комплексы ориентации и навигации" в Московском авиационном институте (Государственный технический университет)

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент, Веремеенко К.К

Официальные оппоненты

доктор технических наук, Кушельман В Я

кандидат технических наук Грошев В В

Ведущая организация Санкт-Петербургский

Государственный Университет гражданской авиации

Защита диссертации состоится "/У " ОЛ 2007 г (_)

в_часов на заседании диссертационного совета Д212 125 11 в Московском авиационном институте (Государственном техническом университете)

125993, Москва, Волоколамское шоссе, д 4, зал заседания Ученого совета, аудитория 302.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Просим Вас принять участие в обсуждении диссертационной работы или прислать свой отзыв в одном экземпляре, заверенный печатью, по указанному выше адресу

Автореферат диссертации разослан " 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент / / Горбачев Ю В

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность. Несмотря на то, что разработка систем предупреждения приближения к земле (СППЗ) началась с середины 70-х годов, столкновения воздушных судов (ВС) с подстилающей поверхностью в полностью управляемом полете продолжают оставаться наиболее частой причиной катастроф ВС. В среднем по миру по этой причине гибнет четыре коммерческих самолета в год В последние годы появилась возможность значительно расширить функциональность таких систем за счет добавления режимов раннего предупреждения приближения к земле (функция оценки местности в направлении полета, предупреждение о преждевременном снижении высоты) и индикации степени опасности окружающего рельефа местности на дисплее летчика Это позволяет увеличить время, предоставляемое экипажу для принятия решения и исправления ситуации Анализ летных происшествий, проведенный Фондом летной безопасности (FSF), связанных со столкновением с подстилающей поверхностью или препятствием, показал, что установка систем раннего предупреждения приближения к земле (СРППЗ) смогла бы предотвратить от 95% до 100% из них. В связи с этим, начиная с 2006 года, ИКАО ввело обязательное требование наличия системы раннего предупреждения приближения на самолетах

Новые возможности системы базируются на использовании информации от спутникового приемоизмерителя и баз данных аэропортов, рельефа местности, искусственных препятствий. Идея функции оценки местности в направлении полета заключается в построении защитного пространства вокруг спрогнозированной траектории ВС и выдаче предупреждения экипажу в случае попадания элементов рельефа и/или препятствий внутрь этого пространства Предупреждение о преждевременном снижении высоты обеспечивается за счет построения защитной области вокруг аэропортов, хранящихся в базе данных системы. Несмотря на кажущуюся простоту постановки задачи, при ее решении возникает большое число более мелких подзадач, требующих глубокой проработки и, в конечном итоге, оказывает существенное влияние на итоговые характеристики системы вероятность правильного обнаружения опасной ситуации, заблаговременность выдачи сигнализации, вероятность выдачи ложной сигнализации, непрерывность работы системы и др.

За рубежом системы с функцией раннего предупреждения производятся такими фирмами как Honeywell, ACSS, Sandel, Universal, Goodrich Сравнительный анализ опубликованных характеристик этих систем показывает, что используются отличающиеся подходы к решению этой задачи, при этом существенно различны такие показатели как время, доступное экипажу для принятия решения и вероятность ложной сигнализации, что говорит об открытости этой темы для исследования. Известно, что зарубежные системы имеют существенные ограничения при полетах по правилам, типичным для территории России Например, во всех системах отсутствует режим предупреждения о неправильной выставке опорного давления на барометрическом высотомере, спутниковые приемоизмерители, примененные в системе работают только в режиме GPS, границы

сигнализации не учитывают динамических характеристик отечественных ВС и установленного на них оборудования В некоторых системах режимы раннего предупреждения не доступны при коррекции барометрического высотомера по текущему давлению на аэродроме (С^Е).

Нормативная база для систем раннего предупреждения приближения к земле не является достаточной Фактически существует всего один документ федеральной администрации США, регламентирующий функциональные характеристики СРППЗ - ТБО-США Утвержденных отечественных нормативных документов в этой части нет вообще В то же время, стандарт Т80-С151А также является не полным и в некоторых частях не логичным Так, для режимов СППЗ он ссылается на документ 1976 года, т е требования к режимам СППЗ не изменяются, несмотря на доступность новых источников информации, для режимов раннего предупреждения не оговариваются их принципиально важные характеристики Требования к функциональным характеристикам системы базируются не в зависимости от возможностей ВС, а по количеству пассажирских мест (три категории более 9, от 6 до 9, менее 6 мест)

Помимо перечисленных проблем отечественные разработчики сталкиваются с необходимостью разработки теоретических основ и алгоритмической базы СРППЗ, поскольку основные алгоритмы построения зарубежных систем закрыты Также при разработке должна учитываться специфика доступного бортового оборудования на отечественном парке ВС

Отсутствие отечественной нормативной базы по функциональным характеристикам СРППЗ, обширного отечественного опыта разработки и эксплуатации систем этого класса, наличии проблемы ложных сигнализаций в существующих системах, а также сложность задачи делают актуальным разработку теоретической базы, необходимой для создания системы, обеспечивающей выполнение требований ИКАО, гражданских и военных российских требований, учитывающей специфику правил производства полетов на территории России и используемого состава бортового оборудования

Цель и задачи исследований. Целью работы является повышение безопасности полета за счет расширения функциональных возможностей СРППЗ, разработка теоретических основ ее построения, включающих структуру, алгоритмы и методики работы СРППЗ, создание промышленного образца отечественной системы

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач

1 Анализ существующего состояния нормативной документации, опыта разработки, эксплуатации СРППЗ и эффективности применения нового поколения систем предупреждения столкновения с землей

2 Обоснование структуры СРППЗ, физических принципов ее построения и сравнительный анализ вариантов реализации системы в зависимости от состава оборудования

3 Разработка математических моделей ошибок датчиков первичной информации и моделей характерных типов рельефа местности для построения алгоритма определения ортометри-ческой высоты ВС

4 Разработка алгоритмического обеспечения СРППЗ на основе предложенных моделей, включая алгоритмы прогнозирования траектории, фильтрации первичной информации, алгоритмы определения вероятностных характеристик системы (вероятность правильного обнаружения, пропуска сигнализации).

5 Разработка методик определения граничных условий (совокупность параметров движения ВС, его конфигурации, этапа полета и др) для известных и вновь вводимых режимов СРППЗ с учетом доступной входной информации, типа ВС и заданных вероятностных характеристик системы

6 Разработка процедур проверки работоспособности и оценки эффективности предложенных методик и алгоритмов на этапах предварительных, межведомственных и квалификационных испытаний создаваемой системы

7 Экспериментальная проверка предложенных решений путем имитационного, полунатурного моделирования, наземных и летных испытаний, а также в процессе эксплуатации системы в рейсовых полетах

Методы исследований. При решении перечисленных задач были использованы аппарат линейной алгебры, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы оптимального оценивания, методы экспериментальных исследований и математического моделирования.

Объектом исследования является система раннего предупреждения ТТА-12(8), разрабатываемая ЗАО "Транзас", а также результаты летных испытаний системы ТТА-12(8) и ее эксплуатации в рейсовых полетах.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней разработаны.

■ обобщенная структура построения СРППЗ, позволяющая адаптировать требования, предъявляемые к СРППЗ, к специфике модернизируемых отечественных ВС;

■ методология определения граничных условий для областей сигнализации режимов СРППЗ, обеспечивающая учет типа ВС, его категории, правил производства полетов, позволяющая уменьшить количество необоснованных срабатываний сигнализации системы при заданной вероятности пропуска сигнала, а в ряде случаев - увеличить время доступное экипажу д ля принятия решения

■ методика формирования сигнализации об ошибочном значении барометрической высоты, позволяющая выдать предупреждение на этапах начального набора высоты и конеч-

ного участка захода на посадку при использовании высоты, приведенной к уровню моря (патент №45545),

■ способ и алгоритм проверки правильности установки опорного давления на барометрическом высотомере и корректности положения переключателя «ЗРЕ/С^Щ, отличающиеся использованием правила решения оптимального по критерию Неймана-Пирсона (патент №42909) и позволяющий расширить диапазон высот работы режима (с 250 м до высоты (эшелона) перехода) за счет использования баз данных аэропортов и спутниковой информации,

■ способ и алгоритм прогнозирования траектории полета ВС при развороте, обеспечивающие меньшую вероятность ложной сигнализации для функции оценки местности в направлении полета и более раннюю выдачу сигнализации при возникновении опасной ситуации по отношению к известным алгоритмам прогнозирования,

■ методика послеполетного анализа результатов работы СРППЗ (авторское свидетельство №2005610668), позволившая выявить и устранить основные причины нежелательных срабатываний сигнализации СРППЗ, упростить объективное оценивание функционирования системы, повысить эффективность процесса обучения экипажей и технического персонала авиакомпаний

Научные положения, выносимые на защиту

■ обобщенная структура построения СРППЗ,

■ методология определения граничных условий для работы режимов СРППЗ,

■ методика формирования сигнала об ошибочном значении барометрической высоты,

■ способ прогнозирования траектории полета ВС при развороте;

■ методика послеполетного анализа результатов работы СРППЗ. Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволили.

■ разработать программное обеспечение для СРППЗ и многофункционального индикатора (авторские свидетельства №2004612490 и №2004611868),

■ создать промышленный образец системы (патент №2004501062/49(013743)), позволяющий упростить установку и обслуживание СРППЗ на модернизируемых ВС,

■ существенно сократить продолжительность, сложность и стоимость летных испытаний системы за счет предложенных методик искусственного уменьшения ортометрической высоты ВС и создания заданного значения скорости изменения истинной высоты,

■ создать комплекс имитационного моделирования и наземной отработки системы, позволяющий объективно оценить качество работы разрабатываемых алгоритмов до установ-

ки на борт ВС и, в конечном итоге, сократить продолжительность периода времени от разработки алгоритмов до их внедрения;

■ повысить точность вычисления ортометрической высоты в 5, 2, 2 5 раза для систем QNE, QFE, QNH, соответственно, по сравнению с точностью приемоизмерителя СНС за счет комплексирования показаний СНС с данными от барометрического высотомера,

■ выбрать шаг сетки цифровой модели рельефа, обеспечивающий заданный уровень искажений формы области сигнализации функции оценки местности в направлении полета;

■ сократить время запаздывания выдачи сигнализации в режиме "Опасная скорость сближения с землей" (патент №37564) в 5-7 раз при полете над пологим рельефом при фиксированной вероятности ложного срабатывания системы,

■ объективно оценить качество изображения рельефа, формируемого СРППЗ для многофункционального индикатора за счет оценки психофизиологического состояния испытуемого (патенты №33495, №2254050, №2253356)

Внедрение работы. Результаты работы использованы при разработке, сертификации, наземных, летных испытаний систем ТТА-12 и TTA-12S и многофункционального индикатора TDS-56D, что подтверждено актом внедрения, утвержденным ЗАО "Транзас" Изделия получили свидетельства годности комплектующих изделий и эксплуатируются на самолетах 9 типов в более чем в 15 авиапредприятиях гражданской авиации (Государственная транспортная компания «Россия», «Волга-Днепр», «Полет», «Газпромавиа», «Сибирь», «КрасЭйр», «Татарстан», «Уральские авиалинии», «Омские авиалинии», «Авиалинии-400», «Авиакон Цитотранс», «Самара», «Якутия», «Второе Свердловское авиапредприятие», «Дальавиа», «ЮТЭйр», «Саяхат» (Казахстан), «Кокшетау» (Казахстан), «Bulgarian Air Charter» (Болгария) и др), а также на самолетах военно-транспортной авиации Положительный результат летных испытаний подтверждается актами, утвержденными ГосНИИ "Аэронавигация", ГосНИИГА, Главнокомандующим ВВС РФ

Методика послеполетного анализа результатов работы СРППЗ внедрена в рабочем процессе ЗАО "Транзас", а также в группах объективного контроля ряда авиакомпаний, что подтверждается соответствующим актом внедрения Внедрение методик проведения летных испытаний СРППЗ подтверждается актом, утвержденным ГосНИИ "Аэронавигация".

Использование алгоритмов определения ортометрической высоты, прогнозирования траектории, расчета областей сигнализации с учетом специфики ВС, проверки барометрического высотомера в системах TTA-12(S) подтверждается актами внедрения, утвержденным ЗАО "Транзас", независимой инспекцией П3-743 и ГосНИИ "Аэронавигация".

Алгоритмы и программное обеспечение внедрены в учебный процесс кафедры 305 и Центра спутниковых информационных технологий МАИ в форме электронных пособий и лабораторных работ, что подтверждается соответствующим актом

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на В международных и всероссийских конференциях и семинарах Демонстрация работы системы осуществлялась на международных авиакосмических салонах (МАКС-2001, МАКС-2003, МАКС-2005, Домодедово-2002, Фарнборо-2002, Фарнборо-2006)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе 9 статей, 3 авторских свидетельства и 8 патентов (2 на изобретение, 1 на промышленный образец и 5 патентов на полезную модель)

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 172 страницах и состоит из введения, 4-х глав, заключения, списка использованных источников литературы, включающего 77 наименований. Основное содержание работы включает 130 рисунков и 37 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, необходимость разработки и совершенствования алгоритмов системы раннего предупреждения приближения к земле Определены объект и предмет исследования, сформулированы цель и задачи исследования

В первой главе приводится анализ состояния нормативной документации по системам раннего предупреждения приближения к земле Выделены требования к СРППЗ, оговоренные не достаточно полно, и для реализации которых должна быть проведена исследовательская работа. Рассмотрен опыт реализации режимов СРППЗ на примере систем EGPWS и СППЗ-85, производства компаний Honeywell и Авиаприбор-Восход Отмечено, что в системе EGPWS, несмотря на отсутствие явных требований стандартов, границы сигнализации некоторых режимов (режимы 1, 2, 3, 4) имеют небольшие отличия для трех классов ВС медленные, быстрые самолеты авиации общего назначения и коммерческие реактивные (турбовентиляторные) самолеты Таким образом, практически все типы ВС, подлежащие модернизации на территории России от Як-40 до Ил-96 попадают под один класс В связи с этим в диссертационной работе проанализирован физический смысл ограничений, которые необходимо учитывать в границах сигнализации режимов СРППЗ при использовании на различных типах ВС.

Рассмотрен типовой вариант построения системы Определены функциональные элементы системы, являющиеся предметом интереса данной работы (на рисунке 1 отмечены выделением)

Предложена (патент на промышленный образец 2004501062/49(013743)) структура построения системы на борту ВС, обладающая рядом достоинств для модернизируемых ВС, и базирующаяся на оригинальном конструктивном исполнении вычислителя СРППЗ

Проанализированы достоинства и недостатки альтернативного варианта построения СРППЗ на базе радиолокатора по сравнению со стандартным путем решения этой проблемы на базе использования спутниковой информации и базы данных. Показано, что система на базе радиолокатора

несмотря на ряд достоинств, в отличие от стандартного пути решения, не позволяет реализовать все необходимые режимы СРППЗ, а также имеет ряд существенных недостатков (зависимость от метео-условий, типа и состояния подстилающей поверхности и др)

Вычислитель системы раннего предупреждения приближения к земле

Носитель баз данных

База данных аэропортов Цифровая модель рельефа База данных искусственных препятствий

Тип, категория ВС, правила производства полетов, ^особенности бортового оборудования

Рисунок 1 - Типовой вариант построения СРППЗ

Во второй главе рассмотрен вопрос комплексирования информации для определения ор-тометрической высоты ВС, отсчитываемой от среднего уровня моря (МБЬ) Эта высота необходима в системе СРППЗ для возможности работы функции оценки местности в направлении полета, задача которой заключается в сравнении прогнозируемого профиля полета ВС с высотой рельефа местности и препятствий, хранимых в базе данных системы Очевидно, что для правильной работы системы высота самолета и рельефа местности должны отсчитываться от одного уровня Для этого проанализированы модели ошибок радиовысотомера, барометрического высотомера и спутникового приемоизмерителя Особое внимание было уделено ошибке уровня датчика, т е задачи приведения уровня отсчета всех датчиков к уровню МБЬ Для барометрического высотомера рассмотрена величина этой ошибки для уровней ОМЕ (760 мм рт ст ), ОЫН (относительно текущего давления на уровня моря), <2РЕ (относительно текущего давления на уровня аэродрома)

Помимо характерных погрешностей измерителей, рассмотренных в многочисленной литературе, проанализированы ошибки, специфичные для СРППЗ Например, ошибка в спутниковой высоте, возникающая при приведении высоты от уровня отсчета \VGS-84 к среднему уровню моря и геоиду ЕОМ-96, ошибка, возникающая за счет априорной неопределенности о взлетно-посадочной полосе (ВПП) посадки в СРППЗ (см. рисунок 2) при приведении к среднему уровню моря барометрической высоты, измеренной в системе С)РЕ

Рисунок 2 - Распределение разности между превышением контрольной точки аэродрома и порогами ВПП на этом аэродроме

На основе предложенных моделей ошибок разработан субоптимальный алгоритм определения ортометрической высоты на основе весового суммирования показаний спутникового прие-моизмерителя и барометрического высотомера, внедренный в системе ТТА-12(8) Также разработан оптимальный алгоритм на базе дискретного фильтра Калмана, использующего в качестве вектора измерений ошибки значений барометрической и спутниковых высот

На основе обработки результатов эксплуатации системы ТТА-12(8) выявлено, что предложенный алгоритм расчета ортометрической высоты не защищен от ошибки экипажа, заключающейся в неправильной выставке опорного давления на барометрическом высотомере и/или неправильной установки переключателя (ЗБЕ/СЯЧН По этой причине было зафиксировано большое количество ложных срабатываний системы, особенно, на самолете Ан-124-100. Поэтому алгоритм расчета ортометрической высоты был дополнен алгоритмом (патент на полезную модель №45545, заявка 2005105004 от 22 02 05), обеспечивающим проверку правильности установки опорного давления на барометрическом высотомере и положения переключателя С>РЕ/С)МН Рассмотрено две гипотезы о распределении разности высот от спутникового приемоизмерителя и барометрического высотомера (АН), которая вследствие погрешностей измерений является случайным процессом. Первой гипотезе (5ЫН соответствует нормальная плотность распределения с нулевым математическим ожиданием и средним квадратическим отклонением сг (величина определяется текущими погрешностями датчиков) Второй гипотезе С^РЕ соответствует нормальная плотность распределения с математическим ожиданием, равным превышению ближайшей взлетно-посадочной полосы и тем же средним квадратическим отклонением

Плотности распределения гипотез (см рисунок 3) описываются выражением

где э-номер гипотезы

Значение порога с определено из условия оптимальности по критерию Неймана-Пирсона при заданной вероятности (а21=10"4) ошибки выбора гипотезы у=С>РЕ при использовании системы (ЗЫН

Также определены минимальное превышение ВПП и величина доверительного интервала О, для которых обеспечивается заданная вероятность (10"3) выбора ложной гипотезы

В главе исследован вопрос использования баз данных рельефа местности в СРППЗ Для этого рассмотрены основные параметры, характеризующие цифровую модель рельефа (ЦМР), проанали-

100 150 200

Рисунок 3 - Плотности распределения гипотез

зированы ограничения, которьми необходимо руководствоваться при выборе шага сетки ЦМР Такими ограничениями являются - величина ошибки в значении высоты рельефа за счет его дискретного представления и искажение формы области сигнализации функции оценки местности в направлении полета. На основе представления рельефа в виде марковских процессов были определены средняя величина смещения и СКО высоты рельефа внутри ячейки ЦМР (см таблицу 1)

Таблица 1

Шаг сетки

Тип рельефа 6 угловых секунд 15 угловых секунд 30 угловых секунд

смещение, м СКО, м смещение, м СКО, м смещение, м СКО, м

равнинный 52 36 81 52 110 68

холмистый 172 111 266 157 368 224

горный 348 227 551 339 766 471

Из таблицы 1 видно, что значения ошибок являются значительными и существенно превосходят по величине точность измерения собственной высоты ВС. В связи с этим, предложена методика определения максимально допустимого шага сетки, исходя из заданной допустимой величины искажения формы области сигнализации функции оценки местности в направлении полета

Рассмотрен вопрос прогнозирования траектории ВС. Для этого проанализированы два типа траектории полет по прямой и полет с разворотом. Первый случай не вызывает затруднений и прогноз осуществляется из условия полета по ортодромии. Основным источником ошибки прогнозирования в этом случае является ошибка в определении текущего путевого угла, по которой вычисляются параметры горизонтального сечения области сигнализации функции оценки местности в направлении полета. Большинство разработчиков СРППЗ ограничиваются этим случаем полета Это следует из того, что учет поворота ВС заключается в расширении области сигнализации в направлении разворота Однако, в работе показано, что при полете с разворотом основным источником ошибки является не точность определения путевого угла, а априорная неопределенность времени полета с разворотом, после которого восстанавливается прямолинейный полет При этом, в отличие от случая прямолинейного полета, длительность выполнения поворота сопоставима и даже, как правило, меньше интервала прогнозирования системы, и данной ошибкой нельзя пренебрегать Игнорирование этого обстоятельства приводит к тому, что алгоритм расширения области сигнализации, используемый в большинстве СРППЗ, обеспечивает контроль впередилежащего рельефа всего на 8-14 секунд полета (вместо заявляемых 60 секунд) В работе предложено прогнозируемую траекторию представлять в виде совокупности дуги окружности с углом апр и участка ортодромии, а точку сопряжения находить из условия обеспечения минимальной средней квадратиче-ской ошибки в прогнозируемой траектории Значения апр определены по результатам обработки статистической информации, полученной в рейсовых полетах (см таблицу 4)

Разработана методика оценки точности прогнозирования траектории на основе сравнения результатов прогнозирования с реально записанной траекторией полета. Оценена точность прогнозирования системы ТТА-125. В таблице 2 приведены математическое ожидание ошибки прогнозирования (т) и ее СКО (о) в зависимости от интервала прогнозирования (1пр)

Таблица 2

tnDi С 1 2 3 4 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

m, м 0 0 0 0 0 1 1 0 3 6 1 -13 -43 -76 -104 -132 -191

ст, м 5 5 6 8 9 27 109 272 506 809 1176 1603 2083 2613 3182 3783 4416

Примечание — Значения получены путем обработки данных, записанных в процессе выполнения 140 рейсовых полетов самолета Ту-154М Рассматривались участки набора высоты и захода на посадку (высота менее 4000 м), где осуществляется наибольшее количество маневров (общая протяженность проанализированной дистанции примерно 13000 км)

В работе предложен метод определения максимальной допустимой дальности прогнозирования, исходя из выполнения условия, что при полете по маршруту, созданному согласно правилам производства полетов, область сигнализации не должна ни при каких условиях выходить за границы дополнительной зоны учета препятствий

В третьей главе рассмотрены основные причины летных происшествий (ЛП) по этапам полета для самолетов гражданской, военно-транспортной и дальней авиации Проведен анализ того, какие обозначенные причины ЛП могут быть учтены режимами СРППЗ, а в каких случаях сигнализация об опасной ситуации выдана бьггь не может Далее рассмотрены правила определения параметров областей сигнализации режимов СРППЗ Так, для режима 1 "Чрезмерная скорость снижения" область сигнализации построена с учетом ограничений, приведенных в РЛЭ на различные типы ВС по допустимой вертикальной скорости и необходимого запаса по высоте требуемого для исправления опасной ситуации Для учета особенностей рельефа в параметрах области сигнализации использованы его математические модели, рассмотренные в главе 2 Исходя из предположения, что рельеф описывается Марковским процессом с автокорреляционной функцией вида К(т) = а1 ехр(-р |т|), вычислена матрица Py(n+i),y(n), характеризующая вероятностную зависимость высоты рельефа вдоль спрогнозированной траектории полета (для 5 типов рельефа) ><«+1)+»/2 j Py(n+l),y(n)= Í , (ехр

x„+imW2 я--ст2 (1-ехр(-2•/?))

где Ру(п+1),у(п) - вероятность того, что высота рельефа над уровнем моря в точке (п+1) будет у(п+1), если в точке п она была у(п) Расстояние между точками п и (п+1) задано равным 100 м, дискретность изменения высоты рельефа принята равной h=10 м

На основе вычисленной матрицы Py(n+i),y(n), начальной высоты ВС над рельефом, вертикальной скорости, времени реакции пилота, максимально допустимой перегрузки и времени выхода

-0>-ехр(-/?)-Я«))2

2ст2-(1-ех р(-2/3))

)dy,

двигателей на повышенный режим работы для конкретного типа ВС рассчитана вероятность столкновения ВС с землей в процессе выполнения избегающего маневра Уровни равных вероятностей столкновения ВС с землей в зависимости от истинной высоты и вертикальной скорости в момент выдачи сигнализации при полете над различными типами рельефа для самолета Ту-154 приведены на рисунке 4 Параметры области предупреждающей (точки 2П и ЗП) и аварийной сигнализации (точки 2А и ЗА) (см рисунок 5) выбраны из условия, что вероятность столкновения с землей должна быть не более чем 10'9 и 10"7, соответственно Координаты точки 1П рассчитаны исходя из максимальной посадочной скорости ВС при движении по глиссаде Координаты точки 1А соответствует максимальной вертикальной скорости на высоте начала выравнивания, при которой еще возможна безопасная посадка При расчете координат точки 1А учтено потребное время для создания максимального значения перегрузки для конкретного типа ВС

Вертикальная скорость, м/с а) Пересеченная местность

« . » 38_ за Э5

Вертикальная скорость, м/с

б) Сильнопересеченная местность Рисунок 4 - Вероятность столкновения ВС с землей в зависимости от истинной высоты

и вертикальной скорости для различных типов рельефа В таблице 3 приведены рассчитанные координаты характерных точек области сигнализации режима 1 для самолетов Ан-124-100, Ту-154М, Як-42 и значения, использованные в системах класса СППЗ для всех типов ВС Из таблицы видно, что координаты точек 2 и 3 мало зависят от типа ВС и могут быть унифицированы Координаты этих точек могут быть сдвинуты в сторону меньших значений вертикальной скорости без риска увеличения количества ложных срабатываний (на рисунке 5 приведены более 100 траекторий захода на посадку самолета Ан-124-100), что позволит увеличить время доступное для экипажа на 7-11 с

В тоже время, как видно из таблицы 3, координаты точки 1 существенно зависят от конкретного типа ВС даже в пределах одной категории и не учет этого факта может приводить к ложным сигнализациям для самолетов категорий СиБ при скоростях захода на посадку более 280300 км/ч При этом, для самолетов категорий А, В, а также при заходе на посадку самолетов категорий С и В с малой посадочной массой, сигнализация в режиме выдается с существенным запо-

N Тип самолета СППЗ-

Ли-124 Ту-154 Як- 42 85

Н Уу Н Уу Н Уу Н Уу

ш 15 5,8 15 4,3 6 3,2 15 5,1

1А 15 6,5 15 6,8 6 4,4 15 6,8

2П 400 11 400 10.5 400 11 400 16

2Л 400 17 400 16 400 16 400 22

зп 1500 29 750 28 750 29 750 25

ЗА 1500 38 750 37 750 36 750 36

зданием, что может явиться предпосылкой к грубой посадке. Таким образом, стандартные границы сигнализации режима I должны уточняться для каждого типа ВС. Этот вывод подтвердился в процессе эксплуатации системы ТТЛ-12(5). В связи с этим модифицированный границы сигнализации были согласованы с ГосНИИА11 и ГосНИИГА и внедрены я программном обеспечении систем ТТА-Щ& В рабо те также предложено в базе данных аэропортов хранить информацию об угле наклона глиссады для каждой полосы (патент №58763), Эта информация позволит избежать ложных включений сигнализаций при снижении по крутой глиссаде.

Указаны ограничения на реализацию функции опенки местности в направлении полета, при которых режим 2 "Опасная скорость сближения с подстилающей поверхностью" можно считать избыточным и блокировать для уменьшения количества ложных сигнализаций ..........„.„..,„,. ■ ................................У—-Р Таблица 3

Вертикальная скорость, м/с

Рисунок 5

Рассмотрены ограничения, при которых реализация режима обязательна. Предложен и запатентован (патент на полезную модель №37564) алгоритм адаптивной фильтрации скорости изменения истинной высоты, позволяющий увеличить дальность прогнозирования режима 2 без увеличения количества ложных срабатываний системы.

Для режима 3 "Снижение н/н.чн потеря высоты после взлета" рассмотрит алгоритм автоматического определения этапов полета ВС, включая этап ухода на второй крут.

Для режима 4 "Снижение в конфигурации, не соответствующей посадочной" предложена методика определения координат точек излома границ сигнализации на основе значений предельных скоростей выпуска механизации ВС. Рассчитаны и приведены координаты точек излома для различных типов ВС отечественного производства.

Для режима 6 "Превышение порогового значения разности истинной высоты и относительной барометрической высоты" предложена методика расчета границ сигнализации на основе допустимой разности в показаниях измерителей, обусловленной погрешностями используемых датчиков барометрической и истинной высот и высотой рельефа вдоль траектории захода на посадку (в со-

ответствии с правилами производства полетов угол наклона зоны учета препятствий должен быть не более 2,5% для самолетных схем и 4,2% для вертолетных схем захода на посадку)

Предложена методика расчета границ сигнализации, позволяющих выявлять не только случаи, при которых выставленное опорное давление больше фактического, но и обратную ситуацию, при которой показания барометрического высотомера меньше реального Несмотря на то, что эта ситуация является менее опасной в смысле столкновения с землей, она однако так же является нежелательной, так как может повлечь дезориентацию и неправильные действия экипажа, и при стечении других неблагоприятных факторов может привести к авиационному происшествию, например, посадке до полосы Показано, что границы сигнализации режима должны быть существенно модифицированы при использовании системы на вертолетах. В системах класса СППЗ режим 6 реализован только в случае использовании уровня отсчета барометрической высоты QFE Это является существенным ограничением режима, так как при полете за рубежом, а также в горах используется другой режим выставки давления на барометрическом высотомере, при котором в качестве опорного давления используется текущее давление на уровне моря (QNH) В момент посадки ВС на ВПП барометрический высотомер показывает превышение ВПП относительно уровня моря, а радиовысотомер ноль и прямое сравнение показаний оказывается недопустимым В работе предложен алгоритм реализации режима 6 при использовании системы QNH (патент на полезную модель №42909) за счет доступности в СРППЗ дополнительных источников информации (текущее местоположение ВС и база данных аэродромов)

Стандартная реализация режима 6, предназначенного для проверки правильности выставки барометрического высотомера по высоте от радиовысотомера, в ряде случаев не обеспечивает своевременной выдачи сигнализации экипажу А именно, режим 6 обеспечивает защиту только на конечном участке снижения на высотах менее 200-250 м, при условии правильного положения переключателя QFE/QNH Однако, как показал послеполетный анализ работы СРППЗ TTA-12(S), в 3 -24% (в зависимости от авиакомпании и типа ВС) случаев захода на посадку переключатель QFE/QNH оказывается выставленным неверно В главе приводится методика проверки адекватности значения барометрической высоты на основе ее сравнения с высотой от спутникового приемо-измерителя с учетом информации о превышении над уровнем моря ближайших ВПП (патент на полезную модель №45545) Рассчитаны коэффициенты, необходимые для работы алгоритма, и обеспечивающие заданные показатели безошибочности выявления опасной ситуации, исходя из текущей точности измерения высоты приемоизмерителем СНС и барометрическим высотомером

При построении области сигнализации для режима 7 (функция оценки местности в направлении полета) проанализированы правила производства полетов воздушных судов (DOC 8168-OPS/611) с целью выявления ограничений на параметры области, при которых обеспечивается отсутствие срабатываний системы при полете самолета по стандартным процедурам Для этапа на-

чального набора высоты предложена методика расчета параметров области сигнализации (дальность обзора (Отах) и запас по высоте (Нзт1Х)), обеспечивающая плавное "разворачивание" области сразу после отрыва такое, чтобы прогнозируемая траектория не выходила за пределы зоны ограничения препятствий

п - ¿-|Че2(/?) + 1]-Нз-[12,5 + 18(1)], .. _НГ_ЛМ±]_1

ита" 12,5.1ё(^)-1 ],Нзтах Н112,5-1ё(^-1]'

где с! - удаление от точки отрыва,Н - превышение ВС над торцом полосы вылета, Р - текущий угол наклона траектории, Нз - запас по высоте, выбираемый в диапазоне от нуля до Нзтах Используя методику, рассмотренную в главе 2, вычислены предельные интервалы времени, на которое может осуществляться прогнозирование траектории для следующих этапов полета' набор высоты, крейсерский этап, начальный, участок прибытия, начальный, промежуточный участок, конечный участок захода на посадку, а также этап ухода на второй круг. Параметры рассчитаны исходя из диапазона скоростей, характерных для самолетов категорий А, В, С, Э, среднего досги гаемого угла крена, скоростей ветра, допусков на пролет контрольных точек, времени реакции пи лота и других параметров, используемых для построения зон учета препятствий В таблице 4 при ведены диапазоны по времени прогнозирования для различных типов ВС.

Этап полета Предельное время прогнозирования*, с Оптимальное значение угла а„р

В пределах основной зоны учета препятствий В пределах дополнительной зоны учета препятствий

Набор высоты, уход на второй круг 50-80 20-40 50°

Крейсерский этап полета 100-140 30-60 9°

Начальный участок захода на посадку (ЗП) 25-30 30-60 17°

Промежуточный участок ЗП 15-25 10-30 32°

Конечный участок ЗП 8-15 10-30 4°

Конкретные параметры времени прогнозирования должны определяться из графиков, приведенных в работе, в зависимости от категории ВС, точности навигации (РЩР), текущей высоты и скорости полета

Пример, иллюстрирующий зависимость максимального времени обзора в пределах основной и дополнительной зоны учета препятствий на этапе набора высоты, приведен на рисунках 6(а) и 6(6), соответственно На основе анализа статистических данных, собранных в рейсовых полетах, по величине углов между последовательными участками маршрута (см. рисунок 7 а) определены значения угла 0ц,, (см рисунок 7 б), обеспечивающие прогнозирование траектории с минимальной ошибкой, а также ширина области сигнализации, при которой достигается заданный уровень безопасности при выполнении разворота на различных этапах полета ВС.

Я -

9 а

1 "8 II *

Кат С' -

# Кат В

^ Кат А

---------- --

Путевая скорость, км/ч

Путевая скорость, км/ч

Рисунок 6 - Предельное время обзора на этапе набора высоты

Показано, что типовой алгоритм расширения области сигнализации при повороте, используемый в большинстве систем СРППЗ, является малоэффективным (малое время обзора и большая вероятность ложного срабатывания) для этапов начального набора высоты, промежуточного и начального этапов захода на посадку, а также этапа ухода на второй круг

1

20 30 40 50 Б07080Я] Значение угла, градусы

а)

Заданный угол поворота градусы

б)

Рисунок 7 - Распределение углов между последовательными участками маршрута (а), зависимость ошибки прогнозирования траектории от заданного угла а„р (б) для крейсерского этапа полета

Для режима 7 рассмотрены и приведены требования к правилам определения запаса по высоте на различных этапах полета Проанализированы возможности режима по предупреждению о препятствиях, расположенных выше текущей высоты полета ВС Предложен алгоритм определения этапов полета, учитывающий требования стандарта к системе СРППЗ, и гармонизированный с общепринятыми определениями этапов полета По результатам летных испытаний и эксплуатации системы алгоритм дополнен дополнительными условиями переходов между этапами для учета возможности нештатной работы датчиков первичной информации и полета и случаев взлета и посадки на аэродромы, отсутствующие в базе данных системы

Рассмотрены правила выбора запаса по высоте для выдачи сигнализации режима 8 "Преждевременное снижение высоты"

Приведено описание типовых законов цветового кодирования степени опасности рельефа по отношению к ВС. Осуществлен сравнительный анализ параметров индикации для систем ЕОР\У8 и ТТЛ-12(5) Предложен способ объективной оценки цветового кодирования, базирующегося на оценке психофизиологического состояния (патенты на изобретение №2253356 и №2254050, патент на полезную модель №33495), определяемого по параметрам кардиосигналов испытуемого

Четвертая глава посвящена вопросам проверки разработанных алгоритмов путем их моделирования, стендовым, наземным и летным испытаниям, результатам эксплуатации системы в рейсовых полетах Рассмотрена схема комплекса, примененного для полунатурного, имитационного моделирования и наземной отработки СРППЗ Комплекс содержит модули задания траектории полета посредством ручного управления, автоматического формирования траектории на основе стандартных схем вылета и захода на посадку, воспроизведения реальных траекторий записанных в рейсовых полетах; интерфейсный модуль, предназначенный для преобразования сигналов в соответствии с протоколами обмена бортовых устройств, СРППЗ, средства регистрации и обработки записанной информации

Приведена краткая методика выполнения лепных испытаний СРППЗ, использованная при проверке системы ТТА-ЩБ) на различных типах ВС Предложены способы проведения испытаний режима 2 "Опасная скорость сближения с подстилающей поверхностью" и функции оценки местности в направлении полета, позволяющие существенно снизить стоимость испытаний и сделать их более безопасными

Приведены результаты, полученные в процессе эксплуатации системы Проанализированы основные причины ложных срабатываний режимов СРППЗ, способы борьбы с ними, а также оценена эффективность использованных средств. Показано, что ложные сигнализации, в основном, обусловлены некорректной или зашумленной входной информацией, неточным выбором граничных значений для областей сигнализации системы и ошибочными действиями экипажей Ниже приведен перечень основных причин включения ложной сигнализаций по режимам системы Режим 1 - Неоптимальность стандартных границ сигнализации для некоторых типов ВС, кратковременные сбои в показаниях радиовысотомера, неучет реальной ошибки в показаниях вертикальной скорости, заход на посадку по крутой глиссаде

Режим 2 - Сложный характер рельефа вдоль схем вылета и захода на посадку, неоптимальный алгоритм фильтрации показаний высоты от радиовысотомера

Режим 3 - Кратковременные сбои в показаниях радиовысотомера и барометрического высотомера, пролет инверсионных слоев атмосферы, ошибки в определении этапа полета Режим 4 - Кратковременные сбои в показаниях радиовысотомера Режим 5 - Неоптимальность стандартных границ сигнализации

Режим 6 - Неточность в выставке экипажем опорного давления на барометрическом высотомере, неправильная установка переключателя С>Г:Е/С)ЫН на системе,

Режим 7 - Ошибочные данные от спутникового приемоизмерителя, отсутствие в базе данных аэропорта взлета/посадки, ошибки в базах данных рельефа и искусственных препятствий, неправильная установка переключателя ОРП/рЫН экипажем, особенности схем вылета и захода на посадку, ошибки в определении этапа полета

Режим 8 - Кратковременные сбои в показаниях радиовысотомера, отсутствие в базе данных аэропорта взлета/посадки, сбои в работе датчика обжатия шасси

В таблице 5 приведена частота срабатывания сигнализации режимов СРППЗ в процессе выполнения рейсовых полетов с системой ТТЛ-12(5), рассчитанная как отношение числа полетов со срабатыванием сигнализации к общему количеству выполненных полетов

Таблица 5 - Частота включения сигнализации

Частота включения сигнализации, %

Версия программного обеспечения, дата выпуска (месяц/год)

1.2 0 2 1.0 22 1 2 2.3 23 0

(07 04) (11.04) (09/05) (12/05) (08/06)

Тип ВС Ан-124 Ан- Ту- Ил- Ан- Ту- Як- Ил- Ту-154М Ту-154М,

124 154М 76 124 154М 42 62 с "Жасмин" Ил-86

Режим 1 67 19,8 4,5 35 0 4,4* 0 11 0 3,8*

Режим 2 11 1.3 2 3 0 0 0 0 0 0

Режим 3 0 0,9 4,5 13 1,7 2,6 0 0 0 0

Режим 4 44 3,5 2,3 3 0 0 0 0 0 0

Режим 5 67 51 13 31 8,6* 1,9* 0 0 0 0

Режим 6 67 19,5 3,8 7 29 4,4* 0 2,3* 0 0

Режим 7 67 27,4 8,3 34 0 1Д 0 0 0 0

Режим 8 22 15,7 2,2 4 0 0,3 0 1,2 0 0,8

№ 9 318 446 102 58 275 7 86 27 237

Примечание - № - количество обработанных полетов

Из таблицы видно, что на основе обработки статистической информации и совершенствования алгоритмов работы системы удалось существенно снизить количество нежелательных срабатываний системы Так, например, анализ первых 9 рейсовых полетов на самолете Ан-124-100, выполненных с системой ТТА-12 с версией программного обеспечения (1.2 0) показал, что в 6 из них (67%) были зафиксированы необоснованные включения сигнализации режима 1 "Чрезмерная скорость снижения" При этом режим 1, был реализован строго в соответствии с международными требованиями Обработка материалов показала необходимость подстройки фильтров входной информации для учета реальных значений ошибок радиовысотомера и датчика вертикальной скоро-

ста, установленных на самолете. Однако, было отмечено, что в последующих 318 полетах, выполненных с доработанной системой (версия 2 1.0), сигнализации режима 1 все равно остались (зарегистрированы в 63 полетах, что составляет 19,8% от общего числа) Полностью устранить проблему сигнализаций режима 1 для самолета Ан-124-100 удалось только после модификации границ сигнализации режима с учетом характеристик самолета Ан-124-100

Следует отметить, что не все срабатывания системы являются ложными и значения, отмеченные * отражают реальный процент оправданных срабатываний системы в процессе эксплуатации рассмотренных самолетов

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведены рекомендации по перспективным направлениям дальнейших исследований по системе раннего предупреждения приближения к земле

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы

1 На основе проведенного анализа существующей нормативной документации и опыта эксплуатации систем предупреждения приближения к земле обоснованы физические принципы построения СРППЗ, а также ее структура, включающая датчики первичной информации, вычислитель системы, совмещенный с пультом управления, многофункциональный индикатор, устройства и визуальной и речевой сигнализации

2 Систематизированы математические модели ошибок датчиков первичной информации СРППЗ и модели характерных типов рельефа местности Разработаны оптимальный и субоптимальный алгоритмы определения ортометрической высоты ВС, обеспечивающие работу СРППЗ на всех этапах полетах ВС при любом способе выставки давления на барометрическом высотомере.

3 Разработано алгоритмическое обеспечение СРППЗ, включающее алгоритмы прогнозирования траектории, расчета максимально допустимого шага сетки цифровой модели рельефа, проверки положения переключателя (ЗРЕ/С>МН На основе обработки 142 траекторий набора высоты и захода на посадку (общей протяженностью »13000 км) показано, что предложенный алгоритм обеспечивает несмещенную ошибку в прогнозе траектории (в том числе с разворотом) с СКО равным 272 ми 1176 м на 30 и 60 секунд полета, соответственно.

4 Формализованы методики расчета областей сигнализации основных режимов СРППЗ с учетом типа, категории самолета, правил производства полетов и состава оборудования на борту ВС, позволившие обеспечить заданные вероятностные характеристики системы (вероятность правильного обнаружения, пропуска сигнализации) Разработаны и внедрены два новых режима контроля барометрической высоты За счет увеличения времени, доступного

экипажу для принятая решения и существенного снижения вероятности ложных срабатываний системы, повышена безопасность выполнения полетов

5 Разработано и внедрено средство объективного контроля качества работы СРППЗ "Taws Track Viewer". Систематизированы причины ложных срабатываний СРППЗ, разработаны методики борьбы с ними, эффективность которых доказана в процессе летных испытаний и эксплуатации системы TTA-12(S)

6 Разработаны и апробированы процедуры оценки разработанных алгоритмов работы СРППЗ в процессе предварительных, межведомственных, квалификационных испытаний системы TTA-12(S), которая на момент написания этого раздела используются на 9 типах ВС более чем в 15 авиакомпаниях

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи

1 Дрягин Д М, Легков А В "Контроль значения барометрического высотомера на основе оптимального различения гипотез" - журнал Аэрокосмическое приборостроение, 10-2005.

2 Веремеенко К.К, Дрягин Д М "Оптимальное оценивание параметров вертикального движения в комплексных системах" - журнал Аэрокосмическое приборостроение, 6-2004

3 Веремеенко К К, Дрягин Д М "Особенности определения ортометрической высоты в системе раннего предупреждения столкновения с землей" - сборник статей Электроприбора по VI конференции молодых ученых "Навигация и управление движением"

4 Третьяков Д А, Дрягин Д М "Когда все решают минуты" - журнал "Вертолет" 2-2004, с 36-37

5 Годунов В А , Дрягин Д М "Полет по АБРИСу" - журнал "Вертолет" 2-2003, с 14-15

6 Дрягин Д М "Модернизация бортового оборудования самолетов Ту-154" - журнал Аэрокосмический курьер -Москва,2004 -№1 -С 30-31 ил

7 Дрягин Д М "Применение системы раннего предупреждения приближения к земле для вертолетов" [Электронный ресурс] / ЗАО "Транзас", сборник докладов семинара ФСНТ "Качество аэронавигационных данных Проблемы и решения", 2006 — Режим доступа http //avia transas com/seminar06/, свободный — Загл с экрана — Яз рус, англ

8 Дрягин Д М "СРППЗ как средство предотвращения авиационных происшествий по причине столкновения с Землей в управляемом полете" [Электронный ресурс] / — Электрон журн 2004 — Режим доступа http //www avia ru/pr/2960/, свободный — Загл с экрана

9 Дрягин Д М "Анализ треков ВС с помощью ПО "TAWS Track Viewer " [Электронный ресурс] / ЗАО "Транзас", сборник докладов семинара ФСНТ "Новые требования ИКАО к содержанию РПП", 2005 — Режим доступа http //avia transas com/semmar/, свободный — Загл с экрана — Яз рус, англ

Авторские свидетельства

1 №2004612490 от 11 1 04 по заявке №2004611938 от 14 09 04 "Terrain Awareness and Warning System (TTA-12)", авторский коллектив Гниловской А Г, Дрягин Д М, Третьяков Д А и др

2 №2004611868 от 12 08 04 по заявке №2004611321 от 17 06 04 "Transas Display System (TDS-56D)", авторский коллектив Гниловской А Г , Дрягин Д М., Третьяков Д А и др.

3 №2005610668 от 18.03 04 по заявке №2005610128 от 28 01 05 "Послеполетный анализ работы системы раннего предупреждения приближения к земле" (TAWS Track Viewer), авторский коллектив Чудинова О П , Дрягин Д М , Хазанов В М и др

Патенты

1 патент на промышленный образец 2004501062/49(013743) от 16 04 04 "Комплект приборов системы раннего предупреждения приближения к земле", авторский коллектив Годунов В А., Третьяков Д.А, Дрягин Д М. и др

2 патент на полезную модель №37564, заявка 2004104228 от 10 02 04. "Устройство для формирования сигнала опасной скорости сближения воздушного судна с подстилающей поверхностью", авторский коллектив Дрягин Д М., Лебедев П В и др

3 патент на полезную модель №42909, заявка 2004129457 от 29 09 04 "Устройство для формирования сигнала оповещения пилота воздушного судна о проверке барометрического высотомера", авторский коллектив Дрягин Д М, Мхитарян В А и др

4 патент на полезную модель №45545, заявка 2005105004 от 22.02 05 "Устройство для формирования сигнала оповещения пилота воздушного судна о проверке барометрического высотомера", авторский коллектив Дрягин Д М, Легков А В. и др

5 патент на изобретение №2253356 от 10 06.05 по заявке №2003120435 от 01.07 03 "Способ оценки операторской деятельности", авторский коллектив Некрасов Б Б., Дрягин Д.М. и др

6 патент на изобретение №2254050 от 20 06 05 по заявке №2003120431 от 25.06 03 "Способ оценки операторской деятельности по управлению объектом", авторский коллектив Некрасов Б Б , Дрягин Д М и др

7 патент на полезную модель №33495 от 27.10 03 "Устройство оценки операторской деятельности", авторский коллектив Некрасов Б Б , Дрягин Д М и др

8 патент на полезную модель №58763 от 04.08 06 "Устройство для формирования сигнала оповещения пилота воздушного судна об опасной скорости снижения", авторский коллектив Дрягин Д М, Высочин С.А. и др.

Введение.

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

1 2 Обобщенная структурная схема СРППЗ.

13 Анализ требований к режимам СРППЗ.

14 Варианты построения системы

Выводы по главе

ГЛАВА 2 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ КОМПЛЕКТОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ ВЕРТИКАЛЬНОГО ДВИЖЕНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТРАЕКТОРИИ

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

2 2 Модель ошибок спутникового приемоизмерителя

2 3 Модель ошибок барометрического высотомера

2 4 Модель ошибок радиовысотомера

2 5 Математические модели рельефа

2 6 Алг оритмы определения ортометрической высоты.

2.7 Способ определения типа коррекции барометрического высотомера

2 8 Алгоритм прогнозирования траектории.

Выводы по главе

ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА ПРАВИЛ И ЛОГИЧЕСКИХ АЛГОРИ ГМОВ РАБОТЫ РЕЖИМОВ СИСТЕМЫ

3 1 Анализ основных причин летных происшествий по этапам полета.

3 2 Границы сигнализации

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

Выводы по главе

ГЛАВА 4 АПРОБАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ

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

4 2 Наземные испытания системы

4 3 Методики летных испытаний системы

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

Выводы по главе

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

6) Требования к цифровой модели рельефа

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

7) Пути уменьшения количества ложных сигнализаций CPI1ПЗ

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

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

Заключение

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

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

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

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

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

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