автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Обоснование требований и структуры навигационно-посадочной системы для местных воздушных линий гражданской авиации

£.8 и 6 3$

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ ИНШЕНЕРОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЩИ •

На права? рукописи УДК 621.396

НИКОГОВ Евгений Анатольевич

ОБОСНОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ И СТРУКТУРЫ НАВИГАЩОНШ-ПОСАДОЧНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ МЕСТНЫХ ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЙ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЩИ

Специальность 05.12.04 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

____Работа выполнена, в Государственном тучно-исследовательском инстчтуте Аэронавигации.

Научный руководитель - профессор, доктор технических

наук ЮЛ . ДЕМИДОВ

Официальные оппоненты - профессор, доктор технических

наук В.С.УВАРОВ

кандидат технических наук А.Д.ФИЛИПШЕ

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

измерительной лташвт >(ШИИТ)

Защита диссертации состоится " 18 " «шнл ¡1992 г. л 10 часов на заседания специализированного сом»»(К*072.05.03 при Московском институте инженеров гражданской «вк&1ДО -по адресу: 125493, г.Москва,. уд. Цулховская, б-А..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института инженеров гражданской авиация.

Автореферат раэосхан * 15 * мая 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, ДОЦеНТ, ЖГЧДСГЬТ У«!!"!««««

наук М.М.ВЕЯШЮВ

_ I ■..................... •:_,

н ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ П

•ссуг'ция

В настоящее время в ГА широко используются радиомаячные системы посадки (РМС), позволяющие обеспечивать автоматическое управление воздушным судном (ВС) до высоты принятия решения (ВПР). Однако РМС достаточно дорогие по стоимости, требуют высоко квалифицированного технического персонала для их обслуживания и по этой причине неприемлет для мастных воздушных линий (МВД).

Поэтому в настоящее время на аэродромах класса Г, Д и Е используются системы неточного захода на посадку типа ОСП и ОПРС, Они не обеспечивают автоматическое управление ВС, а метеоминимум для посадки при использовании этих систем значительно выше, чем при РИС, что не позволяет в целом повысить уровень безопасности воздушного движения.

Для устранения этих недостатков возникла необходимость создания упрощенной радиотехнической инструментальной системы посадки для МВД.

Следует отметить, что гражданская авиация в настоящее время готовится к замене эксплуатируемых радиомаяков типа ИЛС на новые радиомаяки сантиметрового и дециметрового диапазона МЛС/ДОЕ. Поэтому создание упрощенной радиомаячной системы для МВД, унифицированной с системами МЛС/ДАЕ, позволит более экономично осуществить переход от ИЛС к МЛС. Необходимость решения этих вопросов как для научных исследований, так и для практического использования, определяет актуальность настоящей диссертационной работы.

Цзль работы состоит в сСоскованяи требоэа.-«Я к радиотехь*-

(чёской навигационно-посадочной системе для мести« воздушных лй-П ний ГА, исходя из обеспечения требуемого уровня безопасности воздушного движения, и минимизации затрат.

Поставленная'цель достигается путем решения следующих задач: 1,

- обоснованы и определены требования к НПС для МВЛ;

- разработана методика оценки точност.аах характеристик наземной навигационно-посадочной системы для аэродромов МВЛ;

- разработаны требования к взаимному расположению наземных радиомаяков с целью выявления наилучших точностных характеристик;*

- проверена оценка альтернативных вариантов применения на-ригационно-посадочных систем для аэродромов МВЛ исходя из лучшего экономического показателя.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые:

- установлена взаимосвязь точностных характеристик навига-ционно-посадочных систем с безопасностью и регулярностью воздуш-н .'О движения на МВЛ;

- разработана методика и алгоритмы определения точностных характеристик навигационно-посадочной системы в зависимости от взаимног. расположения радиомаяков;

- разработана мэтоднка и проведены экспериментальные исследования по оценке точностных характеристик навигационно-посадочной системы для МВЛ в реальных условиях полетов;

- проведен расчет оценки экономической эффективности использования различных радиотехнических средств навигации и посадки на аэродромах ШЛ.

Практическая ценность работы состоит в том, что полученные результаты позволили:

- а -

.Г" . - обосновать., требования к,.точностным характеристикам навиО гационно-посадочной системы для аэродромов ЫВЛ;

- определить требования к взаимному расположению радиомаяков для получения необходимых точностных характеристик;

- оценить необходимый состаи радиотехнических систем каии-гации и посадки для аэродрома МВЛ;

- разработать стратегию замены радиотехнических систем навигации и посадки на аэродромах МВЛ в целях повышения безопасности и регулярности воздушного движения. .

Реализация работы. Основные результаты работы вошли в комплексную программу развития системы ОВД СССР до 2015 г., исполь-зовакы при разработке Комплексного плана оснащения средствами системы "Плацдарм" гражданских, военных аэродромов, аэродромов совместного базирования; а также основных воздушных судов бортовой аппаратурой, обеспечивающих их посадку, использован*; при разработке технического задания на упрощенную наЕИгацтонно-посадочную систему для аэродромов МВЛ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на 2-й Всесоюзной научно-практической конференции по безопаснос-г ти полетов в 1979 г., г.Ленинград;; на НГС ЫГА в 1988 г., на секции Р 4 МВ НГС Госавианадзора СССР в 1990 г., г.Москва; изложены в рабочем документе специализированного совещания по связи и производству полетов, ИКАО, Монреаль, 198Ь г.; доложены на рабочей группе по переходу с ИЛС на МЛС, Еаропейское бюро ИКАО, Пария, 1990 г.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, чв' »рех разделов н закяоче ля. 0бз?нй объем раб^ть составляет

1

5з7 страниц машинописного текста и включает 34 страницы кллюст-"^ раций. Список использованной литератур состоит из 82 ^именований. •

Содержание работы. Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, раскрываются цели исследования и пути их решения, выделены научная новизна и практическая направленность.'

В первом разделе прозеден анализ состояния радиотехнического обеспечения полетов на МВЛ. Предложены критерии деления аэропортов МВД на две основные группы. Дана оценка уровня безопасности и регулярности полетов на МВЛ в зависимости от оснащения аэродромов средствами посадки и навигации. Предложен показатель оценки функционирования системы обеспечения полетов. Количественной и качественной оценке оснащения средствами радиотехнического обеспечения полетов на местных воздушных линиях были подвержены .аэродромы первой группы, на которые совершают полеты ВС 3 класса .. аэродромы второй группы, на которые совершают полеты только самолеты 4 класса и вертолеты, всего общей сложностью 1314 аэропортов Ши из различных регионов страны. Рассмотрена взаимосвязь между безопасностью, регулярностью и экономичностью полетов на ЫВЛ. Показано, что задачу выбора нахлучшзго варианта системы на-, вигации и посадки на ШЛ следует ревать как одюкритермальную в следующей постановке. Из набора вариантов систем, обеспечивающих

требуемый объем авиаперевозок, при заданном уровне безопасности

* - *

полетов 1'10~° необходимо найти вариант, имеющий максимальную

экономичность:

■ - Этах-тах Э(л): х£Х Б * 63йА ; М>М7

- / -

где Б и ВЗЛд____- достигнутый уровень.и заданный уровень без,-

опасности воздушного движения;

МТР

'' - требуемый объем авиапереволок;

~ - вариант системы;

X - множество рассматриваемых вариантов системы

навигации л посадки.

В такой постановке критерий эффективности соответствует общепринятому •критерию минимизации затрат.

Для получения конкретных значений величины уровня безопасности воздушного движения был проведен анализ уровней безопасности полетов отдельно для двух групп воздушных судов.

К первой группе относятся магистральные суда и воз дул жа суда, ЕыгаянягЕцяе полоты ко местшм воздушным линиям I категории.

Ко второй группе воздушна судов относятся воздушные суда, осудэствля531циз полеты го иесткыу воздупкпм ЛН1ШШ1 П категория я зоэдупниэ' суда, выполняете аэиационшо работы в отраслях народного хозяйства. Эта гругта ВС, как правило, выполняет полета з иилиэа воздушном пространстве ;;ао гестнего эшелона.

ПрочедчгаыЯ сразмлгзлькыЯ анализ уровней безопасности воздушного двкяетпя ВС 1-Я-я 2-й груапи показывает, что во втором слу?.гэ уровень бозопзсноста в 2,5 раза яуяе. В работе проведен статистический анализ регулярности з^палиокяя рейсов ¡га МВЛ за период с 1935 г. по 1990 г. Отмечается, что нарушения регулярности полетов по причнке метеоусловий яугго шмкмуга для пссодаи ссстаадяэт огсого Вэ% мех ¡¡арупешЯ регуляриэстя зхпоянеим рзЗсоз.

Кардкязлъгггз ре&вгси I проблскы локгтзгая р.. гтаяраэстя ~1яе-

- о -

(Гов на МЕЛ является снижение минимумов для посадки, что может быть достигнуто только за счет оснащения малооборудова.шых аэродромов достаточно эффективными средствами посадки.

Требуется разработка плана оснащения аэродромов МВД радиотехническими средствами посадки. В основу разработки указанного плана может быть положена теория принятия решения в условиях неопределенности. Указанный методологический подход оказался доста-

#

точно эффективным для обоснования стратегии оснащения аэропортов МВД перспективными средствами посадки. •

Во втором разделе проведен выбор основных направлений разработки навигационных и посадочных радиотехнических систем для МВД.

При обосновании требований к навигационным радиотехническим системам МВД в работе использована концепция минимальных навигационных характеристик. Оценка безопасности воздушного движения в э'^м случае проводится с помощью вероятностно-статистических ме-.одов и математического моделирования. Особенностью таких математических методов является:

- использование более удобного обобщенного показателя безопасности воздушного движения в виде свертки плотностей распределения отклонений ВС от заданной траектории;

- возможность определения пространства векторов с координатами-параметрами точности и надежности технических средств навигации, в котором обеспечивается заданный уровень безопасности воздушного движения в исследуемых областях воздушного движения.

Показатель безопасности для каждого состояния навигационных ,систем определяются с помощью аналитических выражений типа: _|

Г

.......... . Б. . ..... (3,1;

где ~ совокупность функция экспоненциально-

го вида для у -го уровня точности; За - норматив бокового разделения ВС;

<50 - показатель точности самолетовождения

в основном режима самолетовождения; - показатель точности самолетовождения в резервном режиме; <э2 - показатель точности самолетовождения

в минимальном режиме (отказ основных элементов навигационных систем и невозможность осуществлять самолетовождения даже с точностью 6/ ).

- > С помощью указанной методики были определены требования к допустимой погрешности самолетовождения ( ) и корректирующих радионавигационных систем ( ), а также характеристики надежности их наземного (Кг) и бортового (Рб) оборудования.

При рассмотрении вопросов, связанных с точностью захода на посадку выделялись две группы ошибок: ошибки в технике пилотиро-, вания (ОТП) и ошибки технических средств определения местоположения ВС (ОМЛ) относительно глиссада снижения. Основное внимание уделялось исследованиям, связанным с обоснованием и расчетом ошибок местоположения (ОМЛ) для перспективной навигационной системы ЫВЛ. В качестве базовой модели ВС КЗЛ для синтеза допустимых областей точностных характеристик системы управления был выбран самолет Ан-28.

I Сущность предлагаемой этздяки выделения ошиб л и^стспол'- -еЛ

1

(нйя для системы управления на этапе посадки сведется к следующ*

му. Предполагается, что ошибки в управляемой системе гриводя? I

тому, что реализуется последовательность управляющих событий ю л л

{и,£ ), а ( ' ' ). Будем оценивать погрешность управляемой системы парой чисел ( д а ^ ), где - погрешность испо.

вения управляющего действия, а ^ - погрешность в моменте выпо, нения управляющего действия.

Поскольку система управления ВС ЦВЛ должна нормалью фуик ционировать в различных условиях эксплуатации, были рассмотрен различные случаи ожидаемых условий эксплуатации самолета Ан-28 в том числе различные параметры внешней среды, режимов повета, конфигураций ВС и т.п.

В работе на соответствующих графиках представлены примеры оценок областей предельной управляемости ВС Ан-28 и области до пустимых точностных характеристик системы управления укаэашюг В' по боковому и вертикальному каналу.

Принимая во внимание, что посадочный минимум I категории составляет 60x800 и, для высоты полета по глиссаде 60 и бети о ределены лредельные точности!» характеристики кэмзрения боково отклонения ВС 6"г , высотного откжжэния <5* и курса захода на посадку .

Принимая во снимание, что требования по точностным хорагт

ристихам системы шсадада не когут рассматряваться в отрыва от

требований па кадешдасти, а работе были опэеделек« хсмжчзствги

яао показатели целостности н аэярерывности овсяукяьлтя таая;

го борудосвшя посадки. Целостность парсшгл иеной система кос

хи 2 категории цшкска Смгь ко менее 2~±0"Ю~ для едмкмчвой пс 1_

едки, непрерывность обслуживания- из кенее 1-4'10'^в течение"! 5 с.

На начальных стадиях разработки перспективных рзднотехнкчзс-их систем для районов ШХ необходимо всестороннее иссяедосание зяесооброзгости разработки таких систем, принимая во вшша«ие шгочисленцуо с ;ть пришскнх и базовых аэродромов ЫВ1 и особеи-зсти эксплуатации авиационной техн'лки.

В работе проведена оцекаа выбора направления развития цврс-»жгяшна средств навигации и посадки ЫВЛ.

Для фориализ. дяи общей постановки задачи введены в рассиот-вцзе два вектора: '

а) вектор парзьэтров кгбора ^пИ ;

б) вектор состояний "Ешигай" среды 5 ■•• /I

Двл Еиборз ресеняя в условиях неопрздояеккоста с приигненнеи 1еКасоЕского прикцяпа возькагно соотдагекив:

•дэ: V* - «ЖЕгаяъкая стратегия разработки рздзотахдосес-

КВД СИСТСМ;

Р (У - нгкоторш агркоркуэ рсспрэделегая пгрэяткосгой иноиестев & .

С утатоа прэдяагеегязй .вдтодики бита ярооадеко иссяедопак-чэ ю вглбору опткыалнгого пзряаиго оснпцешш пзродромюго воздуш»-¡•о пространства СЭЛ для свиолотов Л ялвсса я звртояетоп.

Баяо рассиотоено чатирз сяьеувататитас гзряяга'а сс:'апгенкя 134 сзрзпортоп СЪЙ. Поваэеко, "его наиболее спгпгигыям ."гаркантом

- -

следует считать вариант, при которомлзрспеятивная навигационной ' -юсадочнал система типа "Заход МВЛ" устанавливается в указанных аэропортах взамен ОПРС. Именно в этом случае обеспечиваются достаточно высокие показатели регулярности и безопасности полетов, а также максимальная отдача на каждый вложенный рубль капитальных затрат. • .

В третьем разделе разработаны требования к основным тактико-техническим характеристикам навигацконно-посадочной системы для МВД и принцип построения системы.

В качестве перспективной навигационно-посадочной системы для аэродромов МВЛ рассматривается радиотехническая система "За-' ход МВЛ" на основе дальномерного канала ДНЕ системы ЫЛС. Предполагается, .что бортовое оборудование такой системы будет состоять из двух частей - штатного блока ДМЕ/Р и вновь вводимой части, включающей устройство сопряжения и цульт управления. Наземное-оборудование системы включает в себя один основной маяк-ответчик дециметрового диапазона с сохранением формата сигнала ДМЕ и двух маяков-ответчиков, работающих как ретрансляторы (рис. I).

. Важнейшими тактико-техническими характеристиками навигационно-посадочной системы являются ее точность и зона действия. Поскольку независимо от вида информации, выдаваемой потребителям на борту ВС, основной системой координат для оценхи егомес-

»

гоположекия является декартова система, в этой системе проведен анализ точностных характеристик.

На оскэве статистического моделирования процесса измерекжя дельности каждого маяха-ответчика были вычислены выходные .гтшистш.чские характеристик . В каждой точке типовых траекторий

юлета ВС процесс измерения дальности для каждого маяка представлен в виде нормального случайного процесса с матем&тическим ожиданием Мл , равным истинному значению дальности Qистин , и среднеквадратической ошибкой измерения дальности.

На основании проведенных исследований получены сле.цущие результаты:

1. Точностные характеристики рассматриваемой навигационно-посадочной системы существенно зависят от базы маяков-ответчиков по соответствующей координате. Для выбранного критерия точности и симметрично, о расположения маяков существуют оптимальные зан-чения баз маяков (2 км), яри которых эта точность обеспечивается на всем участке глиссады для плоскостных координат X , 2 .

2. Смещение оценок плоскостных координат X , Z отсутствует. Для вертикальной координаты У относительное смещение^ при оптимальных значениях баз пренебрежимо мало.

3. Результаты расчета показали, что при оптимальных базах маяков (~ 2 км) реализуемые точностные характеристики системы оказываются достаточными как для решения одвигаг'онных задач самолетовождения в зоне круга аэродрома, так и для задач посадки.

4. Однако большие величины измерительных баз создаст ряд

пч>блем при эксплуатации. С учетом этого и имея ввиду, что должна 6* л

но выполняться условие = -gP и 2 могут быть рекомендованы следующие рациональные размещения радиомаяков: А =£00 м; £,= = 300, &00, 800 м; £л = 800, 1000 м.

о. Без заметного увеличения погрешности определения местоположения ВС допустимы:

j_ - несимметрическое размещение маяков; _|

ВС

Fec.I. Цр-лиэр размащэнгя рв^ракзлятороз ДМЕ на позициях

Г" - допуски на выдерживание расстояний с точностью +5%;

- перепады высот установки наяков до 15%.

В четвертом разделе рассмотрены результаты зкспериментальных исследований навигационно-посадочной системы для МВЛ ("Заход ЫЗЛ") и проведен анализ и расчет годового экономического эффекта от внедрения системы в ГА. Целью экспериментальных исследований системы "Заход ЫВЛ" явилось проверка правильности заложенных конструктивных и схемных решений, измерение реальных точностшк характеристик системы и сравнение их с теоретическими исследованиями.

Исследования проводились на маке^чом образце системы "Заход ИВЛ", состоящем из наземного и бортового оборудования.

Методом экспериментальных исследований точностных характеристик системы выбраны летные испытания на летающей лаборатории Ан-26.

Наземное оборудование системы "Заход КВЛ" (основной маяк-ответчик т/Р и два маяка-ретранслятора) было установлено на аэродрома "Казбек".

В процессе проведения экспериментов трае ^ор;ш полетов Ан-26 представляли собой горизонтальные полёты ВШ1 на высотах 300* 3000 ы до удалений 37-40 км, а также последовательные заходы на посадку с глиссадой 3° до шсоты снижения 30 ы. В общей сложности выполнено 9 полетов. В процессе полетов производился постоянный визуальный контроль координатной информации на индикаторах слов, а такта контроль видеосигналов с вщода блока ¡¡Щ/Р.

На контрольно-записывающую аппаратуру "Гакяа" в виде цифрового и биполярного кода выдавалась следующая информация: , - дальности до каяков , 35» и ;

р

V . .^декартовы координаты ..X. ., .Щ.......V-- значения отклонений ВС по курсу и глиссаде; ... - барометрическая высота. , " На основании записанных данных осуществлялась послеполетная обработка информации и вычисление характеристик систем "Заход МВЛ».' ,

4 <

В результате послеполетной обработки полученной информации были определены среднеквадратические погрешности линейных отклонений продольной X и поперечной £ координаты на этапе посадки, а также среднеквадратическая погрешность измерения курсового угл

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты выполненных автором по теме диссертации работ сводятся к следующему:

1. При выполнении полетов по ППП и осуществления посадки й использованием РМС, уровень безопасности и регулярности.полетов

. V . ^ ■

выше в 2-2,5 раза,- чем при полетах по ШП и с использованием неточных систем захода на посадку.

Повышение уровня безопасности и регулярности полетов ВС достигается:

- внедрением в эксплуатацию на аэродроках МВЛ радиотехкичес

к их систем посадки, обеспечивающих автоматическое управление ВС

*

в условиях пониженных минимумов посадки;

- созданием и внедрением более совершенного навигационного поля в аэродромном воз^тпном пространстве МВД.

2. В «ачестгэ показателя функционирования систем» радиотехнического обеспечения полетов ыбрана экономичность полетов, -

уцененная максимальным размером прибыли, обеспечи»аемоЯ системой], при условии выполнения требований по безопасности и регулярности воздушного движения.

3. Исходя из основного критерия качества функционирования комплекса средств радиотехнического обеспечения полетов, выбраны критерии i дчества функционирования пилотажно-навигационного оборудования ВС МВЛ для аэродромного воздушного пространства. Сфорегулированы основные требования по точности и надежности, предьяв-хяемые к наземному оборудованию инструментальной системы посадки цля МВД.

4. Разработана методика оценки точностных характеристик упрощенной навигационно-посадочной системы МВЛ расчетным путем, читывавшая взаимное расположение радиомаяков относительно ВПП и позволяющая определить наиболее оптимальный вариант их размещения.

5. Экспериментально оценены с помощью самолета-лаборатории 1н-26 точностине характеристики упрощенной навигационно-посадоч-юй системы для НВЛ.

Летные исследования подтвердили соответствие точностных характеристик системы результатам, полученным расчетным путем.

6. Проведена оценка альтернативных вариантов оснащения РТС. юрод ромов МВЛ по показателю экономической эффективности и виб-зан рациональный вариант оснащения. 4

Публикации. По «ат'еркалам диссертации огубликовано 7 печатав: работ.

Опубликованные работы по теыэ диссертации:

I. Никонов Е.А., Панкратов H.A., Нардоэ И.Б. Оеткхизация _^

•структуры и состав» навигационныхкомялексо_в_ воздушных судов, „J.. -оажданской авиации. Москва, Труды ГосНИИГА, I960, выл, 193,13 с.

2. Никонов £.А., Ростовцев В.И., Жаркий В.А., Барабанов В.В., Алексеев A.M. Основные результаты испытаний базовых навигационных комплексов для самолетов Як-42 и Кя-86. Москва, Труды ГосНИИГА, I960, вып. 193, 19 с.

3. Беляцкий D.B., Никоноз Б.А., ШарабураО.Л. Оценка инструментальных погрешностей наземного ответчика радиодальномера микроволновой системы посадки. Москва, Труды ГосНИИГА, 1969, вып. 286, 94 с.

4. Кондратов В.И., Никонов Е.А., Чижский Б.В. Исследования тактико-технических характеристик радиотехнической навигационно-посадочной системы длл местных воздушных линий. Москва, Труды ГосНИИГА, 1968, вып. 272, 102 с.

5. Круглов П.И., Никонов Е.А,. Хроленко В.М. Вопросы совместного размещения оборудования ИЛС и МЛС. Рабочий документ специализированного совещания по связи и производству полетов. (СОМ/ 85), Монреаль, ИКАО, 1985, 3 с.

6. Никонов Е.А. Вопросы плана перехода or ИЛС к МЛС в СССР. Рабочий документ совещания рабочей группы EANPG- по переходу от ИЛС к МЛС в Европе ( IMTEG /В), Париж, 1990,

Uiachm«ni A io IMTEQД Report, в. 8-9.

*

7. Никонов Е.А., Беллцкий D.B. О новой микроволновой системе "Плацдарм". Дурны "Техншса молодежи", .1990, № 4, 31-34 с.