автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Оценка влияния точностных характеристик бортового и наземного радионавигационного оборудования на риск столкновений ВС при полетах по трассам произвольной конфигурации

Р г о со

1 ^ ИДЯ

1 ЙОЙЙ)ВСКИЙ"ИНСТШТ ИНЖЕНЕРОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИЙ

На правах рукописи Экз. №

ПАНШОВ Альберт Ринальдович

ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТОЧНОСТНКХ ХАРАКТЕРИСТИК БОРТОВОГО И НАЗЕМНОГО РАДИОНАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА РИСК СТОЛКНОВЕНИЙ.ВС ПРИ. ПОЛЕТАХ ПО ТРАССАИ ПРОИЗВОЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ

05.12.04 "Радиолокация и радионавигация" 05.22.13 "Навигация и управление воздушным движение«"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой стегани кандидата технически* наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Рижском институте инженеров граждан-

ской авиации.

Научный руководитель

Официальные оппоненты Ведущая организация

- доктор Технических наук,

Г. А. ЛЯПИДЕВСКИЙ

- чл.-корр. АТ РФ, проф., д.т.н. РУБЦОВ В.Д.

- к.т.н. СОКОЛОВ В.А.

- указано в решают Совета

Защита состоится

4ь Он

_ 1993 года на вас«

дании специализированного совета

Московского института инженеров гражданской авиации по адресу: 125838, Москва,Кронштадтский б-р, 20.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московсно! института инженеров гражданской авиации.

3 « С'-д '

Автореферат разослан

1993 г.

Учёный секретарь специализированного совета, доцент

М.М.ШЕЫАХАНШ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В настоящее время на воздушных трассах эксплуатируются воздушные суда (ВС) различных типов, отличапциеся летно-техни-ческими характеристиками и структурой пилотажно-навигагчонного оборудования. Задачи воздушной навигации решаются в различных точках земного шара, обладагщих различными навигационно-информа-ционными полями естественной и искусственной природы. Поля имеют характерную геометрию и могут взаимно перекрываться. Последнее обстоятельство определяется соответствующим размещением радионавигационных точек, работащих в различных диапазонах радиоволн. Извлечение на борту необходимой для воздушной навигации информации происходит в условиях внешних возмущений, воздействующих на ВС, а обработка результатов измерений, первичная и вторичная, происходит на фоне радиопомех и радиошумов, что затрудняет процедуру оценивания навигационных элементов полета и формирование управляющих воздействий. Указанное обстоятельство является одной из причин того, что процесс навигации является процессом случайным. Другой причиной, дестабилизирупцей пространственно-временное положение центра масс ВС, является смена режимов навигации. Этот процесс также является случайным, так как определяется конфигурацией информационных полей и надежностью бортового и наземного оборудования. Вероятностные характеристики пространственно-временного процесса воздушной навигации, таким образом, зависят от многих факторов, и единого метода подхода к их оценке пока не разработано. Из сказанного следует, что интегральные показатели эффективности функционирования любой авиаци-онно-транспортной системы - безопасность, экономичность и регулярность - также являются сложными категориями, функционально связанными с радионавигационным обеспечением полетов. В связи С этим актуальной является проблема повышения пропускной способности зон УВД, снижения нагрузки авиадиспетчеров, то есть, в конеч-чом счете, повшения безопасности полетов, что напрямую связано з необходимостью оценки влияния точностных характеристик радио-швигационного оборудования (РНО) на перечисленные выше факторы._'

Целью работы является оценка влияния точностных характеристик бортового и наземного радионавигационного оборудования на ] столкновений ВО при полетах по трассам произвольной конфигурации.

Поставленная цель достигается решением сл едущих основных задач:

1. Анализа влияния точностных характеристик радионавигационного оборудования на показатели эффективности функционирования воздушного транспорта.

2. Анализа влияния точностных характеристик наземного и бортового радионавигационного оборудования на интенсивность столкновений ВС при полетах по трассам произвольной конфигурации.

3. Разработки модели конфликтной ситуации ВС для оценки интенсивности столкновений ВС с другими объектами, учитыващей влияние точностных характеристик радионавигационных средств.

4. Разработка методики и проведение математического моделирования конфликтных ситуаций для ВС с целью оценки влияния точностных характеристик радионавигационного оборудования на интенсивность столкновений БС при полетах по трассам произвольной конфигурации.

Научная новизна работы состой? в том, что в ней:

1. Разработана вероятностная модель конфликтной ситуации для ВС, учитываюцая точностные характеристики радионавигационного обеспечения полетов.

2. Разработана методика оценки плотности распределения вероятностей навигационных погрешностей, учитывапцая характеристики навигационных режимов и алгоритм их смены.

3. Разработано математическое обеспечение модели радионавигации при конфликтной ситуации для ВС при полетах по трассам произвольной конфигурации.

4. Проведен учёт влияния точностных характеристик наземного и бортового радионавигационного оборудования, позволивший, опираясь на введенный показатель безопасности полетов - интенсивном катастроф - анализировать уровень ее состояния в течение полета.

5. Экспериментально доказана эффективность использования модели радионавигации при конфликтной ситуации ВС для повышения безопасности полетов по трассам произвольной конфигурации.

б •

Практическая значимость работы состоит в том, ,что полученные результаты позволяют:

1. Дать рекомендации по размещению найемных радионавигационных средств, обеспечив заданный уровень безопасности полетов.

2. Оценивать влияние точностных характеристик на емного и бортового радионавигационного оборудования на показатели безо- / пасности полетов.

3. Обосновывать требования к точностным характеристикам наземного и бортового радионавигационного оборудования на втапе его проектирования.

4. Разрабатывать рекомендации по повышению уровня безопасности полетов по трассам произвольной конфигурации.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении хоздоговорных научно-исследовательских работ: Анализ вероятности функционирования пилотажно-навнгационных комплексов в различных режимах навигации", 1988, МГР 01.88.00.63672; "Оценка навигационных характеристик воздушных трасс СССР на примере транссибирской магистрали", по заказу ГлавНТУ МГА (дог. В 46 от 02.С1.1989 ).

Результаты исследований внедрены в концерне "Красноярск-авиа" при расчете рационального размещения наземных радионавигационных средств, что подтверждается соответствующим актом.

Достоверность результатов

Подтверждается совпадением результатов и выводов, полученных теоретическим путем с результатами моделирования на ЭВМ.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной научно-практической конференции "Безопасность полетов и человеческий фактор в авиации" (Ленинград, 1991 г.), на расширенном заседании кафедры радиотехнических средств самолетовождения РАУ (Рига, 1992 г.).

Публикации

Основные результаты работы изложены в 3 печатных трудах.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из ь зедения, четырех глав и заключения, изложенных на стр. машинописного текста, 2-0 стр.

рисунков, списка использованных источников, включающего лО наименований, и Д приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Введение

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы,сформулированы цель и основные задачи исследования, приведена структура изложения материала диссертации по разделам.

I. Анализ и разработка показателей эффективности функционирования воздушного транспорта и влияние на них точностных характеристик бортового и наземного радионавигационного оборудования

В первом разделе дан анализ существущих в настоящее время показателей эффективности функционирования воздушного транспорта и влияния на них точностных характеристик наземного и бортового РНО. В качестве основных показателей выделены безопасность и экономичность. Отмечено, что большинство Етороса-епенншс показателей могут быть выражены через два основных. Сутвотауе* мнгжеса различных способов повышения эффективности по каждому .иа ¡парамеп ров, однако разработка критерия оптимальности по группе показателей сопряжена с определенными трудностями, т.к. практически любые меры, направленные на улучшение одного из показателей, та» или иначе отражаются на ряде других характеристик и, как правиле эта связь носит обратный характер, т.е. улучшение какого-либо и: показателей эффективности возможно лишь ценой ухудшения других показателей. В связи с етим существует необходимость в использовании некоторого глобального критерия оптимальности функционирования авиационно-транспортной системы. В работе предложена следущая формулировка такого критррия: аеиационно-транспортная

система будет функционировать оптимально (наиболее эффективно) в том случае, если будет получена максимально возможная -прибыль при сохранении заданного уровня безопасности. В соответствии с данным критерием задача оптимизации (повышения эффективности) на воздушном транспорте сводится к разработке.и использованию таких мер, которые позволили бы увеличить прибыли и сохранить при этом необходимый уровень безопасности.

Задача оптимизации является сложной комплексной проблемой, при решении которой должен быть решен ряд частных задач, а именно?

1. Оценка уровня безопасности на основе определенного набора технических характеристик.

2. Оценка экономических показателей на основе определенного набора экономических и технических характеристик.

3. Анализ взаимной связи между техническими и экономическими показателями. В ходе решения этой задачи являются характер и степень зависимости мзжду техническими и экономическими характеристиками.

4. Собственно задача оптимизации. На основе выявленных н ходе решения предыдущей задачи связей припишется решение об использовании такого комплекса технических, организационно-технических и организационных мер, который позволил бы наиболее точно приблизиться к оптимальным значениям экономичности и безопасности.

Приводится также алгоритм решения задачи оптимизации (повышения эффективности) функционирования воздушного транспорта в соответствии с предложенным критерием. Анализ данного алгоритма позволяет сделать вывод, что задача по определению уровня безопасности является ключевой, так кок от результатов, полученных при ее решении зависит, какой комплекс мероприятий будет выбран для повышения эффективности функционирования авиационно-транспорт-ной системы.

Анализируется существующая система статистических и вероятностных показателей, характеризугщих безопасность полетов. Несмотря на то, что 1СА0 рекомендует производить оценку состояния по безопасности полетов на основе одновременного совместного использования ряда показателей, на практике отдается предпочтение ,

параметрам, .связывающим потери и налет воздушных судов в часах. Один из них, именуемый риском катастрофы, является основным нормируемым критерием безопасности. Риск катастрофы дает достаточно полное представление об уровне безопасности полетов с точки зрения пилота, однако с точки зрения пассажира такое предпочтение нельзя считать корректным. Анализ существующей системы показателей безопасности позволил сделать вывод о том, что наличие большого числа характеристик не способствует эффективному их использованию. Повышение эффективности использования статистических и вероятностных критериев связано с их универсализацией и учетом ими условий эксплуатации, а именно: параметров состояния и воздействия на ВС внешней среды, точностных характеристик РНО и других эксплуатационных факторов, параметров полета. Кроме того необходимо иметь вероятностный критерий, характеризующий реальный уровень безопасности в любой момент предстоящего полета, а также методику его вычисления.

2. Влияние точностных характеристик радионавигационного оборудования на показатели безопасности-полетов ВС по трассам произвольной конфигурации

Разрабатывается универсальный показатель безопасности полетов. На основе анализа недостатков существующей системы показателей предъявлены требования к новому параметру.

В соответствии с этими требованиями новый параметр должен:

1) Быть функцией времени.

2) Давать сопоставимые результаты для различных моментов времени.

3) Легко преобразовываться к основным параметрам существующей системы показателей.

4) По возможности иметь ясный физический смысл.

Показано, что всем этим требованиям удовлетворяет такая

характеристика, как интенсивность потока катастроф \к(1) , под которой понимается вероятность катастрофы в момент времени

Ь при условии, что до этого момента катастрофы не произошло. Приведены простые выражения, связывалцие интенсивность катастроф

с-существующей системой показателей. Показана корректность рассмотрения интенсивности катастроф, вовникапцих по отдельным причинам,, при этом результирупцая интенсивность образуется суммированием интенсивностей по каждой конкретной причине. Указанное свойство позволило выделить катастрофы, происходящие по вине систем навигации и УВД в отдельную группу и рассмотреть такие показатели, как интенсивность столкновений воздушного судна с другими ВС, находящимися в воздухе; интенсивность столкновений с зёшей и интенсивность столкновений с наземными объектами. Приведен анализ влияния точностных характеристик РЯС на перечисленные- показатели.

Разработана математическая модель для расчета интенсивности столкновений ВС с другими воздушными судами. Показано, что достаточно рассмотреть интенсивность столкновений двух ВС, осущестыш-вдих полеты в соответствии с заданным планом полетов. ВС при этом целесообразно представить в виде цилиндров и перейти к относительным скоростям. Такой подход позволяет добиться независимости модели от конфигурации трасс. Анализ ситуаций, приводящих к столкновению двух ВС и оценка вероятности те возникновения позволили записать выражение для интенсивности столкновений, которое имеет следующий окончательный вид:

оо

где X ст - интенсивность столкновений двух ВС

у/хл^/ЛУг*- плотности распределения продольной,-боковой и вертикальной составляющих навигационных погрешностей двух ВС

- радиусы и высоты цилиндров, моделирующих ВС

\/Г , Уа - средние значения горизонтальной и вертикальной составляющих относительной скорости.

Получены выражения для вычисления интенсивностей столкновений [_ВС с землей и наземными объектами при УВД, однако для их —I

практического использования необходимы дополнительные исследования, связанные с оценкой закона распределения вертикальной составляющей скорости БС.

3. Влияние точностных характеристик наземных и бортовых радионавигационных средств на оценку положения центра масс воздушного судна

Разрабатывается методика оценки вероятностных показателей, характеризующих пространственное положение центра масс ВС, в частности, законов распределения навигационных погрешностей. Необходимость разработки указанной методики обосновывается тем, что плотности распределения навигационных погрешностей входят в состав выражений для вычисления интенсивностей столкновений, а испол ьзущиеся в настоящее время двухпараметрические законы (нормальный и двойной экспоненциальный) недостаточно точно аппроксимируют реальное распределение погрешностей.

. Предложено использовать в качестве выражения, описывающего плотность распределения вероятностей, взвешенную сумму нормальных распределений (многопарвметрическое выражение). Дано обоснование такого выбора, а также показана сепэь коэффициентов распределения с точностными и надежностными характеристиками радионавигационных режимов. Получены выражения для компьютерной реализации алгоритмов оценки плотности вероятности отклонения центра масс ВС от заданной траектории и второго момента (дисперсии) этого отклонения. При выводе этих выражений использованы матема- . тические приемы, повышающие точность вычислений. С помощью программно-математического обеспечения, реализущего вычисления по приводимым в работе алгоритмам и формулам, смоделирован полет ВС с пилотажно-навигационным комплексом (ПНЮ, характерным для самолета ТУ-154. Полученные числовые и графические результаты позволяют дать сравнительную оценку трех законов распределения (нормального, двойного экспоненциального и предлагаемого в работе). В качестве примера на рис. I приведен один из полученных в графическом виде результатов, демонстрирующий соотношение между двойным экспоненциальным и предложенным законами распределения.

Рис. Г

Приведены результаты расчета вероятности выхода центра тсс на пределы назначенных норм р учетом влияния точностных характеристик РНО.Вероятность вычислялась интегрированием плотности в заданных пределах. Обоснована недопустимость использования таких параметров, как. вероятность выхода за пределы трассы и дисперсия бокового отклонения в качестве критериев безопасности полетов. Полученные в третьем разделе выражения и методика для оценки плотности распределения вероятностей, учитывающие возможность полета ВС в различных навигационных режимах, позволяют значительно упростить методологию учета влияния различных дестабилизирующих факторов на уровень безопасности полетов.

4. Разработка методики л проведения математиче ского ' гаде лир о-вания конфликтных ситуаций для ВС с учетом влияния точностных характеристик радионавигационного оборудования

Приведены результаты практического использования рассмотренных в предццущнх разделах моделей. Смоделирован полет двух ВС с ПНК, аналогичным ПНК самолета ТУ-154. Рассмотрен полет по параллельным и пересекающимся трассам без использования наземных РНС. Полученные в результате моделирования значения риска столкновени) имеют ясную физическую трактовку, что говорит о корректности гтос1 новки и решения задачи по оценке риска столкновений ВС. С помощью разработанного программно-математического обеспечения смоделированы конфликтные ситуации при полетах ВС типа В-747 по реальным трассам Р-30 и Р-22. Полученные в результате глоделирования значения риска столкновений, достигающие 0,5'10"®, далеко выходят з пределы назначенных 7 ОАО норм (рис. 2). Вероятность выхода аа пределы воздушного коридора, равная 0,086, также не удовлетворяет предъявленным требованиям, что свидетельствует о недостаточно обеспеченности указанных трасс наземными радионавигационными средствами. Повторное моделирование позволило установить, что об рудование трасс дополнительными наземными радионавигационными средствами (шестью маяками типа УОК ) обеспечит установленный 1СА0 уровень безопасности полетов. Результаты повторного модели-звания позволили разработать рекомендации по совершенствованию

t

наземного радионавигационного обеспечения полетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты и выводы, содержащиеся в диссертационной работе, можно сформулиропать следующим образом;

1. Сформулированы требования к универсальному показателю бев\ ности полетов .Предложено гспользовать в качестве критериев безопасш ти такой параметр, как интенсивность катастроф, позволяющий учесть влияние точностных, характеристик РНО, а также проследить изменение уровня безопасности в течение полета.

2. Определено место систем навигации и УВД в системе обеспечения безопасности полетов. Введены такие показатели, как интенсивность столкновений ВС в воздухе, интенсивность столкновений ВС с землей и интенсивность столкновений ВС с наземными объектами при УВД.

3. Разработаны модели для вычисления перечисленных показателей с учетом влияния точностных характеристик наземного и бортового РНО.

4. Показана некорректность использования нормального и двойного экспоненциального законов распределения вероятностей для аппроксимации распределения вероятностей навигационных погрешностей. Разработана методика оценки плотности распределения вероятностей навигационных погрешностей, учитывалцая характеристики навигационных режимов и алгоритм их смены.

5. Разработано программно-математическое обеспечение для расчета законов распределения навигационных погрешностей и интенсивности столкновений ЬС при полетах по трассам произвольной конфигурации.

6. Даны рекомендации по оснащению реальных трасс Р-30 и Р-22 наземными радиомаяками типа УОЯ с целью обеспечения установленного 1СА0 уровня безопасности.

Основные' результаты диссертации излокены в следующих работах

1. Зобов Н.Ф., Ляпидевский Г.А., Панюхов А.Р. Методика расчета вероятностных характеристик бокового движения ВС при организации полетов по проектируемым воздушным трассам. - В кн.1 Проблемы безопасности полетов. № 8, - М.: ГК СССР по НГ АН СССР ВИНИТИ, 1990. 0. 65-73. ...............

2. Ляпидевский Г.А., Панюков А.Р. Анализ вероятности функционирования пилотажно-навигационньх компле. сов в различных режимах навигации. - В кн.: Практические рекомендации по расчету минимальных навигационных характеристик воздушных трасс Р-30 и Р-22. Отч. по НИР *ТР 01.88.00.63672. - Рига: РКИИГА, 1988.

3. Оценка навигационных характеристик воздушных трасс СССР на примере транссибирской магистрали. Отч. по НИР по заказу ГлавНТУ МГА (дог. № 46 от 02.01. 1989). - Рига: РКИИГА, 1989.

Соискатель <

\