автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Математическое моделирование систем посадки самолетов сантиметрового диапазона

Список используемых сокращений.

Введение.

Глава 1. Методы математического моделирования систем посадки самолетов сантиметрового диапазона.

1.1. Структура математической модели МСП и основные требования к ее составным частям.

1.2 Моделирование позиций и предварительный геометрический анализ топологии аэропорта.

1.3. Анализ существующих математических моделей СПС при описании канала распространения навигационных сигналов от радиомаяков.

1.4. Влияние отражений и затенений навигационного сигнала на выбор траектории захода на посадку.

Выводы.

Глава 2. Математическое моделирование канала распространения навигационных сигналов радиомаяков МСП.

2.1. Структура алгоритмов расчета модели канала распространения навигационных сигналов в формате данных и сканирования угломерных подсистем МСП.

2.2. Анализ применения численных методов решения задач рассеяния электромагнитного поля при математическом моделировании

2.3. Математическая модель рассеяния электромагнитного поля на основе метода обобщенных граничных условий.

Выводы.

Глава 3. Моделирование влияния характеристик местных предметов и пространственной ориентации самолета на параметры навигационных сигналов МСП.

3.1. Влияние изменения поляризации электромагнитного поля при переотражениях на параметры навигационных сигналов.

3.2. Модель вычисления Френелевских коэффициентов при расчете параметров навигационных сигналов МСП.

3.3. Влияние ориентации ДН приемной антенны самолета в пространстве на параметры навигационных сигналов МСП.

3.4. Модель распределения фазы переотраженных лучей при многопутевом рассеянии навигационных сигналов МСП.

3.5. Модель расчета рассеяния электромагнитного поля с учетом шероховатости подстилающей поверхности и местных предметов.

3.6. Исследование параметров навигационных сигналов МСП при их математическом моделировании, сравнение с экспериментальными данными.

Выводы.

Глава 4. Анализ практического применения математического моделирования МСП.

4.1. Адекватность результатов исследований МСП на основе разработанных методов математического моделирования.

4.2. Разработка рекомендаций по снижению уровня переотражений. Актуальность моделирования МСП.

4.3. Возможности исследования процесса посадки самолетов на основе разработанных методов математического моделирования

Выводы.

Актуальность проблемы. Одной из важнейших проблем гражданской авиации является обеспечение регулярности, высокой интенсивности и повышения безопасности полетов, особенно на этапах взлета и посадки, как на стационарных категорийных аэродромах, так и на аэродромах со сложными климатическими и рельефными условиями, временных площадках базирования и палубных площадках.

Обеспечение необходимой безопасности полетов должно происходить при одновременном совершенствовании структуры систем посадки, увеличении пропускной способности аэропортов по принятию самолетов, увеличении временного окна принятия самолетов, расширении границ климатических условий, при которых посадка возможна, повышение категорийности аэропортов.

Опыт эксплуатации различных СПС показывает, что главным условием повышения безопасности полетов и пропускной способности аэропортов является снижение уровня аэродромных помех, вызванных множественными переотражениями сигналов радиомаяков СПС от местных предметов и подстилающей поверхности территории аэропорта. Эффект многолучевости при отражениях вызывает искажения управляющих навигационных сигналов и помехи в бортовом оборудовании JIA, и как следствие, искривление линии курса и глиссады, по которым происходит наведение и посадка JIA. Особенно опасны переотражения для МСП сантиметрового диапазона, таких, как ЕГРСП, MLS TRSB, DMLS.

Техническое перевооружение посадочного оборудования аэропортов, перспективы комплексирования глобальных спутниковых навигационных систем (NAVSTAR и ГЛОНАСС) с системами посадки сантиметрового диапазона, использование сложных узконаправленных антенных систем, временной и пространственной селекции, внедрение новых аппаратных средств и принципов работы оборудования не изменило коренным образом проблему аэродромных помех. В этих условиях возрастает роль информационного обеспечения и математического моделирования бортовых навигационных комплексов посадки.

Известны фундаментальные работы в области навигации и специализированной обработки информации в навигационных комплексах (О.А.Бабич, В.И.Денисов и др.), прогнозирования точностных характеристик

МСП (В.В.Кашинов, В.М.Бенин, И.А.Хаймович, Г.А.Пахолков,

М.Е.Соломоник, Ю.Г. Шатраков и др.), интегрирования и комплексирования навигационного оборудования (Ю.А.Соловьев, М.С.Ярлыков, И.Е.Кинкулькин и др.), использования средств моделирования для определения эксплуатационных параметров СНП (О.Р.Никитин).

Снижение уровня аэродромных помех и повышение точности управляющих навигационных сигналов возможно при правильном проектировании аэропорта, предварительных расчетах предполагаемого уровня помех в зависимости от планируемой топологии аэродрома, рельефа местности и расположения зданий, сооружений, вышек, ангаров и т.д.

Возникает актуальная научная и народнохозяйственная проблема обеспечения функционирования систем посадки сантиметрового диапазона в условиях наличия многолучевости и меняющимися условиями эксплуатации в соответствии с требованиями категорийности метеоминимума 1С АО.

Наличие переотражений в аэропортах от местных предметов, ангаров, зданий, вышек, стоящих и летящих самолетов, подстилающей поверхности приводит к ухудшению функционирования МСП: снижается пропускная способность аэропортов; вследствие изменения с течением времени топологии аэродромов, reo и метеофакторов, периодически приходится проводить летные испытания для анализа всех параметров МСП; при строительстве новых аэропортов приходится прибегать к перестройке и переносу части сооружений, если результаты летных испытаний оказываются неудовлетворительными.

На сегодняшний день существующие методы решения данных проблем не позволяют: отказаться от дорогостоящих испытаний, либо уменьшить их число за счет предварительных расчетов эксплуатационных характеристик МСП по управлению самолетом при посадке и выборе оптимальной траектории захода на посадку; точно указывать возможные доминирующие источники переотражений управляющих навигационных сигналов радиомаяков МСП на этапе проектирования аэропортов; предлагать действенные меры по снижению переотражений за счет нанесения специальных покрытий и гофров на местные предметы.

Цель работы, вытекающая из характера поставленной проблемы, состоит в создании системы многофакторного автоматизированного анализа аэродромной обстановки на базе математической модели МСП для исследований методами моделирования источников и характера переотражений навигационных сигналов в аэропортах, разработки практических мер по снижению уровня переотражений, проведения расчетов эксплуатационных параметров МСП без проведения, либо уменьшая количество летных испытаний. Математическое моделирование МСП способно решать следующие задачи:

1. Рассчитывать уровень поля рассеяния управляющих навигационных сигналов радиомаяков от каждого из отражателей и выделять среди них доминирующие в зависимости от пространственного положения воздушного судна.

2. На этапе проектирования предполагаемого аэропорта проводить расчеты и давать рекомендации по рациональному размещению зданий, сооружений, ангаров, вышек и т.д., осуществляя при этом привязку к подстилающей поверхности для обеспечения минимизации уровня переотражений управляющих навигационных сигналов.

3. На этапе проектирования аэропорта осуществлять прогнозирование и оценку эксплуатационных параметров МСП, давать предварительную оценку категорийности аэропорта.

4. Разрабатывать практические рекомендации по переносу, изменению пространственной ориентации, наложению мелкошероховатого либо гофрированного покрытия на местные предметы, доминирующие в создании переотражений, для минимизации искажений управляющих навигационных сигналов от радиомаяков.

5. Определять в радиусе зон пропорционального наведения МСП наиболее опасные переотражения и затенения управляющих навигационных сигналов для выбора траекторий захода на посадку летательных аппаратов.

6. Исследовать методами математического моделирования существующих и вновь строящихся аэропортов, что позволит сократить количество дорогостоящих летных испытаний.

7. Рассчитывать возможные искажения управляющих навигационных сигналов от радиомаяков в каждой точке траектории захода на посадку, что позволит предупреждать пилота о возможных ошибках на данном участке посадки того либо иного прибора или индикатора, а также корректировать эти показания.

Методы исследований. При математическом моделировании канала распространения МСП используются современные методы прикладной электродинамики и распространения волн, статистической радиофизики, математической статистики и теории случайных процессов, численные методы прикладной математики и математического моделирования.

Научная новизна работы. Новые научные результаты, полученные в работе над диссертацией состоят в следующем:

1. Разработана система многофакторного автоматизированного анализа аэродромной обстановки на базе математического моделирования канала распространения МСП, при этом уровень помех управляющих навигационных сигналов от радиомаяков на входе бортового приемника самолета ставится в зависимость от пространственного положения ЛА, топологии аэропорта и размещения на нем конкретных отражателей, их электрических свойств, ориентации в пространстве, синхронизации и формата данных угломерных подсистем МСП.

2. Предложены математические модели описания пространственного канала формирования навигационного сигнала, позволяющие значительно увеличить информативность математической модели, расширить границы применения данной модели для решения большого числа прикладных задач.

Научная новизна работы подтверждена разработкой новых методик расчетов параметров навигационных сигналов, свидетельством оригинальности которых служит опубликование 6 научных работ автора по тематике существующей проблемы.

Перечень результатов, имеющих практическую ценность.

1. На основе разработанной математической модели управляющих навигационных сигналов МСП, представлены инженерные методики расчетов и их математическое обеспечение для анализа аэродромной обстановки, позволяющие повысить эффективность систем посадки в целом в 1,052 раза.

2. Расчеты параметров управляющих навигационных сигналов от радиомаяков в режиме реального времени, дают возможность применять результаты моделирования в комплексных тренажерах пилотов, повысить эффективность обучения летного состава и отрабатывать навыки посадки на конкретные аэродромы. 3. На основе результатов расчетов элементов математической модели МСП разработаны практические рекомендации по расположению местных предметов на территории аэропорта и в зонах пропорционального наведения радиомаяков; по нанесению на МП и УПП специальных покрытий, в том числе и гофрированных; по размещению и выбору навигационной аппаратуры для снижения уровня переотражений.

Предложенные и внедренные технические решения обеспечивают возможность автоматизированного многофакторного анализа аэродромной обстановки, создают положительный экономический эффект, улучшают эксплуатационную эффективность применения МСП, способствуют обеспечению безопасности и интенсивности полетов. Поэтому решенная в работе научная проблема имеет важное народно-хозяйственное значение.

Реализация и внедрение. Основные теоретические и практические результаты диссертации были получены автором в рамках выполнения НИР, проводимых на кафедре радиотехники и радиосистем Владимирского Государственного Университета в период с 1992 по 2001 г.г. Результаты исследований внедрены на ГУЛ «Крона»; ГУП «Сигнал» (г. Владимир); завод радиоизмерительных приборов (г. Муром). Полученные акты о внедрении подтверждают техническую и экономическую целесообразность применения разработанных в диссертации моделей и методов.

На защиту выносится совокупность новых научно-обоснованных технических решений в рамках проблемы повышения эффективности управления самолетом на ответственном этапе посадки в условиях многолучевого распространения переотражений навигационных сигналов радиомаяков.

На защиту выносятся:

1. Теоретическое обоснование математической модели канала распространения сигналов радиомаяков микроволновой системы посадки.

2. Алгоритмы предварительного анализа аэродромной обстановки и алгоритмы расчета поля навигационных сигналов радиомаяков в точке приема ЛА с учетом синхронизации угловых функций МСП в реальном масштабе времени.

10

3. Математические модели учета влияния на параметры навигационных сигналов: изменения поляризации рассеянного поля; конечной проводимости аэродромных отражателей; шероховатости местных предметов (МП) и участков подстилающей поверхности (УПП), в т.ч. мелкошероховатых и гофрированных; распределения фазы переотраженных лучей для сантиметрового диапазона волн при многопутевом рассеянии.

Апробация работы. Материалы и основные результаты работы, изложенные в диссертации, обсуждались на НТК "Проектирование и применение радиотехнических устройств" (г.Владимир, ВлГУ, 1994); на МНТК "Перспективные технологии в средствах передачи информации" (г.Владимир, ВлГУ, 1995; 1997гг.).

Публикации по работе. По материалам диссертации опубликовано 6 работ. Часть материалов изложена в научно-технических отчетах по НИР, выполненных при участии автора.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложений, списка литературы, имеющего 90 наименований отечественных и зарубежных источников, в том числе 6 работ автора. Общий объем диссертации 227 страниц, в том числе, 169 страниц основного текста, 7 страниц списка литературы (90 наименований), 56 рисунков, 17 таблиц, 52 страницы приложений.

ВЫВОДЫ

1. Разработанные методы математического моделирования МСП позволяют варьировать отдельные элементы модели управления посадкой самолетов в зависимости от типа решаемых задач при проведении исследований. Возможно применение реального бортового приемника, комплексного тренажера пилотов для испытаний летчиков (САУ) или для отработки посадки на аэродромы со сложной траекторией.

2. Реализация исследований канала распространения управляющих навигационных сигналов МСП с помощью методов математического моделирования возможна как в режиме реального времени, так и псевдореальном времени и без временной синхронизации.

3. Результаты расчетов возможных искажений линии курса и глиссады при посадке самолетов на конкретный аэродром (п.3.6), сделанные при математическом моделировании МСП, показывают высокую их корреляцию с экспериментальными данными летных испытаний, что говорит об адекватности модели в целом.

4. Для оценки достоверности результатов исследований при математическом моделировании МСП предлагается воспользоваться классической теорией проверки статистических гипотез на основе определения их уровня значимости.

5. Несмотря на потенциально высокие параметры по определению угловых координат и скорости JIA новейшими глобальными спутниковыми навигационными системами, при использовании их в качестве инструментальных систем посадки, они не всегда отвечают эксплуатационным требованиям по возможной доступности и надежности. Особенно это относится к возможности введения режима "ограничения доступа" SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS. Несмотря на успешные испытания GPS ; DGPS не становятся постоянными базовыми инструментальными СПС, а ЕГРСП (MLS TRSB) по прежнему остается одной из основных инструментальных систем посадки особенно для внутренних авиалиний.