автореферат диссертации по транспорту, 05.22.14, диссертация на тему:Повышение эксплуатационной надежности интегрированного комплекса бортового оборудования на основе реконфигурации структуры его вычислительной системы

На правах рукописи

КИВОКУРЦЕВ АЛЕКСАНДР ЛЕОНИДОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ИНТЕГРИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА БОРТОВОГО ОБОРУДОВАНИЯ НА ОСНОВЕ РЕКОНФИГУРАЦИИ СТРУКТУРЫ ЕГО ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ

Специальность 05.22.14. - Эксплуатация воздушного транспорта

Автореферат диссертации на соискание ученой степенн кандидата технических наук

3 и ОКТ 2014

Москва-2014 005553938

005553938

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА)

кандидат технических наук, доцент, Иркутский филиал ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА), декан факультета «Авиационных систем и комплексов»

Мишин Сергей Владимирович

доктор технических наук, доцент,

ОАО Московский научно-производственнный комплекс «Авионика», заместитель главного конструктора ТН-17

Бронников Андрей Михайлович

кандидат технических наук, доцент,

Военный учебный научный центр ВВС «Военно-Воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», начальник кафедры Эксплуатации авиационного оборудования

Ипполитов Сергей Викторович

ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет гражданской авиации» (СПбГУ ГА)

Защита состоится 17 декабря 2014 года в 15.00 часов на заседании Диссертационного Совета Д 223.011.01 в ФГБОУ ВПО «Московский государственном техническом университете гражданской авиации» по адресу: 125993, Москва, А-493, ГСП-3, Кронштадтский бульвар, д. 20, ауд. 12 Р

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте www.mstuca.ru ФГБОУ ВПО «Московский государственный технический университет гражданской авиации»

Автореферат разослан /О 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

ъ

Самойленко Василий Михайлович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время отечественная авиационная отрасль находится на этапе коренных изменений, связанных с необходимостью преобразований системы разработки, производства и технической эксплуатации авиационной техники, ориентированной на удовлетворение требований рынка и повышение конкурентоспособности отрасли в целом. Для поддержания должного уровня эффективной, безопасной эксплуатации воздушного судна необходимо улучшать надежность его конструкции и систем бортового оборудования, что одновременно минимизирует стоимость эксплуатации и обуславливает новые требования к системе технического обслуживания и ремонта.

Совершенствование эксплуатационно-технических характеристик (ЭТХ) ВС и его бортового оборудования в последние два десятилетия стало одним из важных направлений исследований в нашей стране и за рубежом. Необходимость решения данной проблемы обусловлено существенным влиянием ЭТХ ВС и его компонентов на технико-экономические показатели ВС. Одним из основных показателей, связывающих все ЭТХ ВС является надежность, а основным обобщенным критерием эффективности технической эксплуатации воздушного судна является интенсивность летной эксплуатации или среднесуточный налет. Из опыта эксплуатации известно, что простой парка воздушных судов по причине неисправности систем бортового оборудования приводит к огромным экономическим потерям. Среднесуточный налет воздушных судов должен составлять не менее 8-10 часов, в противном случае эксплуатация становится убыточной для авиапредприятия. Некоторые российские авиакомпании доказали, что при наличии запасных конструктивно-функциональных модулей или создании отказоустойчивых интегрированных комплексов бортового оборудования (ИКБО) возможна эксплуатация современных российских самолетов, например самолета Ту-204-300 в период между периодическими видами ТО по 14 часов в сутки, что является сопоставимым показателем по сравнению с В-767 и лучшим показателем по сравнению с А-320.

Таким образом, совершенствование ЭТХ ИКБО на основе повышения его отказоустойчивости является актуальной задачей.

Перспективным способом повышения отказоустойчивости бортового оборудования является его интеграция в единый комплекс. Одним из основных элементов ИКБО является тракт навигации. Его базовой системой являются бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС). Центральное место в структуре ИКБО занимает бортовая вычислительная система, которая по мультиплексным каналам информационного обмена осуществляет управление, контроль и передачу информации между системами бортового оборудования. Здесь важнейшей задачей является формирование отказоустойчивых структур с использованием метода скользящего резервирования. При соответствующей аппаратно-программной поддержке возможно построение интегрированнои вычислительной среды бортовой вычислительной системы, способной динамически перестраивать свою структуру и перераспределять ресурсы в зависимости от режима функционирования комплекса бортового оборудования. При этом происходит формирование рациональных вычислительных структур на время выполнения конкретных функций, в том числе в непредвиденных ситуациях, например при отказах. Очевидно, что системы с реконфигурацией отличаются повышенной сложностью, высокой избыточностью и большими вычислительными затратами на реализацию алгоритмов обработки информации и управления. Поэтому, алгоритмическое обеспечение БИНС и других систем тракта навигации в случае их

отказа для обеспечения возможности реконфигурации структуры бортовой вычислительной системы должно быть рациональным по вычислительным затратам.

Исходя из опыта эксплуатации современных воздушных судов, можно выделить два направления совершенствования ЭТХ ИКБО. Первое направление - это совершенствование системы технического обслуживания и ремонта бортового оборудования с целью обеспечения эффективных мероприятий по прогнозированию и устранению отказов. Однако, недостаточную надежность, заложенную при создании изделий трудно компенсировать высоким качеством технического обслуживания. Более перспективным является второе направление - повышение эксплуатационной надежности на этапе разработки за счет создания отказоустойчивых структур бортового оборудования, что позволит реконфигурировать структуру, отключая отказавший модуль, и эксплуатировать систему по состоянию до очередного планового технического обслуживания.

Таким образом, совместное использование информационных ресурсов различных подсистем и в случае их отказов реконфигурация структуры бортовой вычислительной системы для повышения эксплуатационной надежности ИКБО является актуальной научной проблемой.

Целью диссертационной работы является повышение отказоустойчивости ИКБО воздушных судов за счет реконфигурации вычислительного процесса и использования экономичных по вычислительным затратам алгоритмов ориентации бесплатформенных инерциальных навигационных систем.

Для достижения поставленной цели решены следующие научные задачи:

— проведен анализ структуры и эксплуатационной надежности ИКБО, оценена производительность и вычислительная загруженность основных трактов бортовой вычислительной системы;

— разработана отказоустойчивая структура бортовой вычислительной системы ИКБО;

- проведен анализ параметров определения ориентации и разработаны экономичные по вычислительным затратам алгоритмы ориентации БИНС;

- путем имитационного моделирования проведено экспериментальное исследование эффективности разработанных алгоритмов ориентации БИНС;

— обоснован выбор экономичных по вычислительным затратам алгоритмов ориентации БИНС и выработаны рекомендаций по их использованию в составе отказоустойчивого ИКБО;

- проведена оценка эксплуатационной надежности вариантов БВС верхнего уровня иерархии отказоустойчивых ИКБО.

Объектом исследования являются ИКБО воздушных судов. Предметом исследования являются реконфигурируемая структура БВС, алгоритмы ориентации бесплатформенных инерциальных навигационных систем в составе отказоустойчивых ИКБО.

Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы методы структурного анализа, резервирования сложных систем, методы теории конечных поворотов твердого тела, методы инерциалыюй навигации, методы матричного исчисления, методы многокритериальной оптимизации, методы имитационного моделирования.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Обоснована новая методика оценки производительности отказоустойчивой бортовой вычислительной системы ИКБО.

2. Разработан экономичный четырехшаговый разгонный алгоритм ориентации БИНС с минимизацией вычислительных затрат и повышенной точностью.

3. Впервые решена задача многокритериального выбора алгоритмов ориентации БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО по этапам полета.

4. Теоретически обоснован и разработан новый алгоритм управления вычислительным процессом в БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО.

5. Обоснована новая структура бортовой вычислительной системы, отличающаяся повышенной отказоустойчивостью.

На защиту выносятся: __ ,гтп:п

- структура отказоустойчивой бортовой вычислительной системы икьи,

- результаты экспериментальной оценки эффективности синтезированного четырехшагового разгонного алгоритма ориентации БИНС;

- результаты исследования работоспособности алгоритмов ориентации ЬИНС, используемых в составе отказоустойчивого ИКБО;

- методика и результаты многокритериального выбора синтезированных алгоритмов ориентации БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО;

- алгоритм реконфигурации вычислительного ядра отказоустойчивого ИКЬО;

- результаты оценки эксплуатационной надежности предложенных вариантов БВС верхнего уровня иерархии отказоустойчивых ИКБО.

Практическая значимость работы состоит в том, что её результаты

позволяют: .

1. Повысить отказоустойчивость ИКБО за счет использования разработанных алгоритмов ориентации БИНС в зависимости от состояния вычислительного ядра ИКБО и этапа полета воздушного судна.

2. Применить разработанные методы и алгоритмы для создания специализированного программного обеспечения бортовых вычислительных систем перспективных воздушных судов.

3. Повысить уровень безопасности полетов воздушных судов гражданской авиации на основе отказоустойчивости ИКБО. Т,и-Сл

4 Выработать рекомендации по созданию отказоустойчивых ИКЬО перспективных воздушных судов, а также по использованию в учебном процессе высших учебных заведений гражданской авиации при подготовке специалистов по специальности 160903 и направлению 162500 «Техническая эксплуатация авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов».

Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы внедрены в Иркутском филиале МГТУ ГА, реализованы в деятельности авиакомпании ОАО «ВЛАДИВОСТОК АВИА», Иркутского авиационного завода филиала «Корпорации «Иркут», что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационнои работы основаны на адекватной постановке задач исследования и корректном использовании математического аппарата, известных теоретических положений, проверке соответствия имитационным моделированием конического движения систем координат для алгоритмов канала ориентации реальным физическим процессам, согласованности полученных частных результатов с положениями теории инерциальной навигации и результатами, полученными ранее другими авторами.

Личный вклад автора. Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии, что подтверждено публикациями в научных изданиях. В опубликованных в соавторстве работах автору принадлежат постановка задачи, анализ проблем, результаты теоретических и практических исследований, рекомендации по практическому использованию алгоритмов и методов.

Апробация работы. Результаты докладывались на:

- XIV и XV Всероссийской научно-технической конференции Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов Учетом

климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока в 2005 и 2007г проводимых на базе Иркутского ВВАИУ(ВИ); - научно-технических семинарах адъюнктов и соискателей факультета авиационного оборудования

Иркутского ВВАИУ(ВИ) в 2006-2008г; - научно-техническом семинаре кафедры «Авиационных приборов и навигационных систем» ВВИА им. «Н.Е.Жуковского», г.Москва, в 2006г.; - I научно-практической конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации России», ИФ МГТУ ГА, 26 ноября 2009г.; - научно-техническом семинаре кафедры «Авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов», ИФ МГТУ ГА в 2010г.; - научно-техническом семинаре кафедры «Технической эксплуатации авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов», МГТУ ГА в 20Юг; - III научно-технической конференции студентов и аспирантов «Актуальные проблемы развития авиационной техники и методов её эксплуатации - 2010», ИФ МГТУ ГА, 7 мая 2010г.; - Международной научно-технической конференции, посвященной 40-летию образования МГТУ ГА «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», г. Москва, 26 мая 2011г.; - Всероссийской научно-практической конференции преподавателей, научных работников и аспирантов «Актуальные проблемы и перспективы развития гражданской авиации - 2012», ИФ МГТУ ГА, 6 декабря 2011г.; - II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонавтики «Авиамашиностроение и транспорт Сибири», секция «Самолетостроение и эксплуатация авиационной техники», Иркутский ГТУ, 11-13 апреля 2012г.

Публикация результатов. Материалы диссертации представлены в 22 статьях, опубликованных в Иркутском ВВАИИ, Иркутском ГУПС, Иркутском ГТУ, Иркутском филиале МГТУ ГА, МГТУ ГА, в том числе 5 статей - в изданиях, рекомендованных ВАК для опубликования результатов кандидатских диссертаций; в одном учебном пособии, опубликованном в Иркутском филиале МГТУ ГА; в отчетах по научно-исследовательским работам: «Алгоритмическое обеспечение БИНС с наименьшим расходом вычислительных ресурсов БЦВМ» — Иркутск: ИВАИИ, 2002 г. шифр «Барон 2000», «Отказоустойчивый интегрированный комплекс бортового оборудования перспективного воздушного судна на основе реконфигурации его структуры» - Иркутск: ИФ МГТУ ГА, 2014 г. шифр «ИКБО».

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения с общим объемом в 195 страниц, включая список цитируемой литературы из 88 наименований, 49 рисунков и 6 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована ее актуальность, сформулированы цель диссертации и решаемые задачи, определены положения, выносимые на защиту, обоснована научная новизна и практическая значимость выполненных исследований. Приведено краткое содержание диссертации.

В первой главе проведен анализ структуры, эксплуатационной надежности ИКБО современного самолета на примере комплекса стандартного цифрового пилотажно-навигационного оборудования самолета Ту-204 (КСЦПНО-204), а также эксплуатационно-технических характеристик и обобщенных показателей эффективности технической эксплуатации ВС. Проведен анализ принципов построения, сформирована структура, проведена оценка производительности отказоустойчивой БВС, обеспечивающей высокий уровень надежности ИКБО.

Центральной проблемой модернизации ИКБО (КСЦПНО-204) является создание отказоустойчивой структуры БВС с использованием метода скользящего резервирования, способной динамически перестраиваться при отказах и особых ситуациях. Для формирования реконфигурируемой структуры БВС ИКБО проведена оценка вычислительной загруженности основных трактов ИКБО - КИСС, радиоэлектронного комплекса (РЭК) и навигационного контура (НК). Установлено, что она распределена неравномерно и имеет зависимость от режимов полета. Наиболее загруженным является тракт РЭК (65%), далее идет тракт КИСС (62%).

Минимальную вычислительную загрузку имеет тракт НК (57%). Это позволяет в аварийной ситуации (при отказе центральной БВМ№1 БВС ИКБО) выбрать резервное ядро — БВМ№2 НК (первый приоритет).

Предложена отказоустойчивая структура БВС ИКБО, которая при отказе ядра БВМ№1 функционирует под управлением БВМ№2 тракта навигации (рисунок 1). Базовой системой тракта навигации является БИНС. При выполнении функций ядра БВС отказоустойчивого ИКБО производительность БВМ№2 снижается до 30%. В данной ситуации необходимость освобождения вычислительных мощностей БВМ№2 обуславливает актуальность разработки реконфигурируемого, высокоточного, экономичного по вычислительным затратам алгоритмического обеспечения БИНС в

■ МКИО MIL STD 1553В (ГОСТ 26765.52-87);

-ARINC-429 (ГОСТ 18977-79). Ki - контроллер; ОУ - оконечное устройство

Рисунок 1 - Структура отказоустойчивой БВС ИКБО воздушного судна

Во второй главе проведён анализ существующих инерциальных навигационных систем, определены перспективы их развития, рассмотрены общие принципы обработки информации в БИНС. Проведен анализ и выбор кинематических параметров ориентации для реализации алгоритмов БИНС. Предложена методика синтеза семейства разнотипных алгоритмов ориентации, имеющих различную структуру и, как следствие, различную степень точности. И наконец, разработаны экономичные, циклические алгоритмы ориентации, а также циклический навигационный алгоритм, который может быть использован в составе инерциально-спутниковой навигационной системы.

В общей схеме БИНС можно выделить канал ориентации, где вычисляется угловое положение самолета, и канал навигационных определений, где производится счисление координат. Оба этих канала во многом независимы, что позволяет в дальнейшем рассматривать их алгоритмы отдельно друг от друга.

Для описания вращательного движения некоторой подвижной СК относительно опорной могут быть использованы различные виды параметров ориентации: углы Эйлера-Крылова, матрица направляющих косинусов, параметры Родрига - Гамильтона, вектор ориентации Эйлера. На основе выполненного в разделе анализа кинематических параметров ориентации сделан вывод, что наиболее простым

параметром является вектор ориентации Эйлера.

Вектор ориентации Эйлера представляет собой вектор, направленный по оси конечного поворота и равный по модулю величине угла этого поворота: (р=<р-е Кинематическое дифференциальное уравнение (КДУ) для вектора Эйлера имеет вид:

^ _ 1 - _ 1 (р = а + — (р у. со +

/

^ _ (рът (р

\

2(1 - СО Б (р) ,

(1)

2' <рг

где <р(?) - локальная производная вектора ориентации.

сГ(/) = ^й> о т ^ _ проекции вектора абсолютной угловой скорости

вращения связанной СК на соответствующие оси чувствительности;

Т

<р = ^ (ру <р ^ - проекции вектора вращения Эйлера связанной СК на

соответствующие оси чувствительности.

Преимуществом вектора Эйлера является самое простое решение (используется всего 3 КДУ), а также возможность аналитического решения, требующего минимальных вычислительных затрат. Недостатком является неоднозначность при некоторых угловых положениях, отсутствие наглядности, использование на малых промежутках времени, необходимость перехода к матрице направляющих косинусов. Таким образом, обоснованным выбором является использование в алгоритмах БИНС вектор Эйлера

Проведён анализ современных прецизионных интегрирущих датчиков первичной информации (гироскопов и акселерометров). На основе анализа параметров определения ориентации и использовании модификации обобщённого вектора ориентации (вектора Эйлера), а также учёте особенности выходной информации датчиков современных БИНС предложена методика синтеза семейства разнотипных алгоритмов ориентации, имеющих различную структуру и, как следствие, различную степень точности.

Одним из путей вычисления параметров ориентации связанного базиса маневренного объекта является интегрирование кинематических дифференциальных уравнений известными классическими численными методами Эйлера, Рунге-Кутта, Адамса Этот способ приемлем для БИНС на гироскопах, измеряющих угловую скорость. Современные же БИНС используют датчики на новых физических принципах (лазерные и твёрдотельные волновые гироскопы). Эти датчики являются интегрирующими. Они измеряют в момент времени 1к интегралы от проекций абсолютных угловых скоростей на соответствующие оси чувствительности (квазикоординаты):

?('*) = )<о№, (2)

'и

где 1к - предыдущий и текущий моменты времени выдачи сигнала

датчиком.

Дифференцирование выходного сигнала (2) гироскопического блока по времени с последующим решением кинематических уравнений для параметров ориентации приводит к быстрому накоплению погрешностей ориентации, счисляемой в БИНС. Эта проблема привела к необходимости разработки специализированных алгоритмов ориентации БИНС, использующих в качестве сигналов первичной инерциальной информации квазикоординаты.

Наиболее эффективным решением задачи определения ориентации является разбиение процесса вычислений на циклы (сверхбыстрые) с решением в каждом из них кинематического уравнения для промежуточного параметра. В качестве таковых необходимо выбрать параметры, полностью или частично удовлетворяющие

следующим требованиям: невырождаемость при малых значениях, наименьшее число кинематических дифференциальных уравнений, требующих решения в реальном времени, наиболее простая связь с матрицей направляющих косинусов. Для уменьшения методических погрешностей следует продолжительность сверхбыстрого цикла вычисления промежуточного параметра принять равной величине дискретности снятия сигнала с блока гироскопов, поскольку за этот промежуток времени угловая скорость и ориентация изменятся незначительно.

Частота сьема информации у современных гироскопических датчиков составляет 100-200 Гц. Это позволяет предположить, что за период дискретности т угол поворота связанной СК не превысит значения п. В этом случае в качестве промежуточных параметров можно применять векторы ориентации, не опасаясь их вырождения. Снижение количества дифференциальных уравнений до трех вместо шести для матрицы направляющих косинусов позволит снизить вычислительные нагрузки БЦВМ. Переход к матрице направляющих косинусов можно осуществлять с меньшей частотой (быстрый цикл), которая, однако, также должна быть достаточной для требуемой точности решения задач ориентации и навигации.

Примем в качестве промежуточного параметра вектор ориентации Эйлера. Он представляет собой ось с, вокруг которой необходимо совершить поворот на угол (5, чтобы связанная СК из положения в начальный момент переместилась в следующее положение. Этот процесс может быть описан следующим матричным уравнением:

U{tm) = U(tmA)-A{tm), (3)

В этом выражении A{tm) - некоторый оператор вращения, переводящий связанную СК из начального положения f/(/m.,) в следующее положение, описываемое матрицей направляющих косинусов U(tm). Промежуток времени / - /т_, между двумя последовательными вычислениями матрицы направляющих косинусов называется быстрым циклом. Для вектора ориентации Эйлера оператор поворота A(tm) может быть получен по формуле

£+^у1 • +1 " с°Т(!т)) •(4)

<P(tm) V Cm)

0 ~<Рг Cm) <Py(tm)

Ф CJ = <p:(tJ 0 -<PÂ' J <5>

-<Ру Си) <Рх((т) 0

где <р(1т) = -¡ф] (/„ ) + <Р2У С„ ) + <р\ Сш) - угол поворота (модуль вектора ориентации);

ФСт) -кососимметрическая матрица, составленная из координат вектора ориентации.

Кинематическое дифференциальное уравнение для вектора Эйлера (уравнение Борца) имеет вид аналогичный выражению (1). Решение данного уравнения при интегральном характере выходных сигналов датчиков составляет основную трудность определения промежуточного параметра ориентации. В ряде работ получено аналитическое решение уравнения (1), на основе которого предложены различные методики, позволяющие синтезировать алгоритмы различной структуры и степени точности. В них промежуточные параметры ориентации вычисляются по одношаговым и многошаговым алгоритмам. Так при использовании метода последовательного приближения решено уравнение (1) и получено семейство разнотипных алгоритмов, имеющих различную структуру (по организации

вычислительного цикла, т.е. разгонные и безразгонные) и, как следствие, различное быстродействие и различную степень точности. Приведём примеры алгоритмов: 1) Безразгонные алгоритмы.

- одношаговый алгоритм второго порядка точности (алгоритм 1):

^1=91; (6)

- двухшаговый алгоритм четвертого порядка точности (алгоритм 2):

_ _ _ 2 _ _

<р2=Ч\+Чг+--(,Ч\*Ч2)> (7)

- трехшаговые алгоритмы четвертого порядка точности, (алгоритм 3):

_ _ _ _ 9

<Рз1=Я\+Я2 + Яз+^<Я1хЯзУ' - (8>

(алгоритм 3.1):

____9__ _ з _

<Рзг = Я\ + Яг + Чз+^(Я\~Яз)х (9)

- четырехшаговый алгоритм четвертого порядка точности (алгоритм 4):

<Рл = Я\ + <72 + Яз + <74 + -(<71 + <?2) х (Яз + ЯЛ (10>

- пятишаговый алгоритм четвертого порядка точности (алгоритм 5):

______ 1375 ._

<Р5=Я1+Я2+ЯЗ+Яа+Я5--^(Я2><ЯА)-

1625 ._ _, 875 _ ч _ ..

<41х )+гт7((?2х я 5)+х Ял));

(И)

864 3 216 2) Разгонные алгоритмы.

- двухшаговый (с одним шагом разгонки) алгоритм 3-го порядка точности (алгоритм 6):

Фг=Чг + ~{Ч1 х<Гг); (12>

- трёхшаговый (с двумя шагами разгонки) алгоритм 4-го порядка точности (алгоритм 7):

Фз=Яз+^<Я2*Яз)-~(Л\*Яз)> (13)

Соотношения (3, 4, 5) для приведённых выше алгоритмов будут иметь одинаковый вид, а совместно с одним из выражений семейства (6-13) образуют алгоритм для определения ориентации ЛА в инерциальном пространстве по показаниям гироскопических датчиков интегрирующего типа.

Синтезированные алгоритмы имеют ряд преимуществ: повышенная точность; снижены вычислительные нагрузки на БЦВМ по причине отсутствия дифференциальных уравнений; не требуется предварительное дифференцирование выходных сигналов гироскопических датчиков; инвариантность к проблеме некоммутативности конечных поворотов; возможность решения в реальном масштабе времени.

В работе реализован (алгоритм 4+), который является четырехшаговым алгоритмом повышенной точности. Он синтезирован для обеспечения работы БИНС в особой ситуации (отказ вычислительного ядра ИКБО). Этот алгоритм с одной стороны является алгоритмом повышенной точности, с другой стороны среди однотипных алгоритмов его реализация обеспечивает минимальную загрузку БВМ. Для решения задачи синтеза используем семейство безразгонных алгоритмов, требующих меньше вычислительных затрат. В БИНС частота опроса гироскопов

фиксирована (МООГц) и решить задачу повышения точности традиционно, т\е. чаще получать информацию об угловой скорости не представляется возможным. Поэтому используем более простой способ - метод Рунге, который обеспечивает вывод формулы высокой точности из формулы низкой точности (рисунок 2).

со А <ии)

2 т 2т

Рисунок 2 - Геометрическая интерпретация синтеза алгоритма

СО (О - точное значение функции; a (t, И)* - прибл. значение функции на сетке h;

со {t) = со (t,hУ + Ah

где A h - погрешность на сетке h.

со 4= со 4* + Д 4 - значение функции (fl(t) на сетке 4 с шагом h=x со 2= со 2*+ Д2-значение функции co(t) на сетке 2 с шагом h=2x

(fk = Jco{t)dt . квазикоординаты (выходной сигнал гироскопа), т.е. площадь

U-! _

трапеций q, q2 Чз Я4 при т = tr t|.i - const; cp-t(ra).

В качестве' исходного возьмем 4-х шаговый алгоритм 4-го порядка точности (алгоритм 4), получим для него реализацию на сетке 4 с шагом h=x. Затем возьмем 2-х шаговый алгоритм 4 порядка точности (алгоритм 2), получим реализацию на сетке 2 с шагом h=2x (разрежение сетки). Расчет во второй - разряженной сетке позволяет оценить погрешность расчета на первой сетке с точностью до членов более высокого порядка, т.е. пятого. Из формулы, реализованной на сетке 2, вычитаем формулу, реализованную на сетке 4, в итоге получаем (алгоритм 4+).

Методика синтеза алгоритма (используется метод Рунге):

а) Вычисления на сетке 4 с шагом h=x ((р 4= Ч> 4 + ):

2 _ _ _ _ ср< (9i , 9г. 9з. Я<) = 9. + Я 2 + Яз + 94 + з (9i + я2 Ух (Яз + 94);

б) Вычисления на сетке 2 с шагом h=2x, выполним разрежение сетки: q,=q2;

_ _ _ _ 4 _ . q-,=qз (Я> 2= <Р г + А<?2 ): <Рл(Я\ .94) = 9, + Я 2 + 9з + 94 + j(9i + Я* h

в) Оценка погрешности расчета на сетке 4 (1 формула Рунге А = Аф2 ~&<Рл У

4- 2

А = Я\ - Яг ~ Яз + 94 + J(9i + Ял)~^{Я\ + Яг)х (9з + ЯлУ

г) Получение выражения более высокого порядка точности (2 формула Рунге ср 4t= ср 4- А ) - 4-х шаговый безразгонный алгоритм повышенной точности:

«V = 9г + 9г + 9з + 9з + |((9i * 9з) + (Я2 х 9з) + (9г х Ял)У

Таким образом, в работе синтезирован экономичный четырехшаговый алгоритм повышенной точности. Этот алгоритм и представленные выше алгоритмы (6-13) совместно с выражениями (3-5) являются экономичными, циклическими алгоритмами ориентации, которые совместно с алгоритмом навигации могут быть использованы в составе инерциально-спутниковой навигационной системы. Ввиду ограниченности материала автореферата алгоритм навигации не приводится.

В третьей главе путем математического и имитационного моделирования проведены исследования разработанных алгоритмов ориентации. На рисунках 3,4 приведены результаты исследования синтезированных алгоритмов БИНС для различных параметров конинга (ось ОЪ описывает коническую поверхность).

------■ Время ¡*>;*п^ва»га:3600сск.: гирамстры юмга

Вр. мэл^пчювант: 360<>сск; шра\сгры конинга:«={КИ7/**4 V-1¡х/Ис

..... ; Алгоритм 1 1.).....................

, ..„ . 0 ,

......

.ЧДро]'*

Д^ш

14ечп г^ее^е

Рисунок 3 - Результаты исследований синтезированных безразгонных алгоритмов

ориентации

Для графиков на рисунках 3,4 слева представлены ошибки определения матриц направляющих косинусов ди для алгоритмов ориентации по осям Х,У,/, для параметров конинга - 1(а=0,087 рад, V =1рад/с). По осям Х,У ошибка постоянна и имеет минимальное значение, поэтому её не рассматриваем. По оси Ъ наблюдается ее роет Ошибки ориентации возникают вследствие углового движения объекта по оси Ог описывающей коническую поверхность. Для графиков на рисунках 3,4 справа представлены ошибки определения матриц направляющих косинусов ди в виде виде тренда для алгоритмов ориентации по оси Ог, для параметров конинга 1,2,3.

* ЗбООосж.;

ЛЦрад

1.44&Ш гтее^а гееечп «,сГ

Алгоритм (6)

Рисунок 4 - Результаты исследований синтезированных безразгонных и разгонных

алгоритмов ориентации

Анализ графиков показывает, что для параметров 1 конинга величины ошибок за исключением (алгоритма 1) не выходят за допустимые пределы (10° град/ч), необходимые для высокоточного определения координат. Это говорит о возможности использования данного семейства алгоритмов для определения ориентации в БИНС. (Алгоритм 1) для параметров 2 конинга имеет ошибку соизмеримую с инструментальной ошибкой гироскопов. Этот факт подтверждает актуальность проблемы разработки и выбора высокоточных алгоритмов ориентации БИНС.

Общий вывод по графикам: с увеличением угла конинга наблюдается рост погрешности по оси Ъ (график 2 по сравнению с графиком 1). Также на рост погрешности влияет увеличение угловой скорости конинга (график 1 по сравнению с графиком 3). Все это говорит о необходимости использования на этапах захода на посадку и посадки (углы и угловые скорости конинга имеют динамический характер) более точных алгоритмов ориентации. При этом надо учитывать применение быстродействующих БВМ, т.к. у более точных алгоритмов более длительное время реализации. Все это относится к безразгонным алгоритмам. Для разгонных алгоритмов время реализации зависит от частоты опроса датчиков (гироскопов).

Общие характеристики алгоритмов. С увеличением шаговости наблюдается уменьшение погрешности алгоритмов как для разгонных, так и для безразгонных.

Сравнивая точностные характеристики синтезированных алгоритмов можно сделать вывод, что самыми точными являются алгоритмы (7) и (6), они относятся к классу разгонных, что подтверждает теоретические выводы. Далее по мере убывания точности алгоритмы представлены следующим образом: (4+), (5), (4), (3.1), (3), (2) и (1). Если сравнивать два однотипных 4-х шаговых алгоритма, то можно сделать вывод, что алгоритм (4+) точнее, чем алгоритм (4) на 25%.

В четвертой главе рассмотрено применение синтезированных реконфигурируемых алгоритмов БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО. Проведён выбор БЦВМ для реализации алгоритмов ИКБО и решена многокритериальная задача выбора синтезированных алгоритмов БИНС в составе интегрированного комплекса бортового оборудования воздушного судна. Предложены рекомендации по использованию алгоритмов БИНС в составе ИКБО, которые позволили сформировать алгоритм регулирования вычислительного процесса в БИНС в зависимости от режима полета и состояния вычислительного ядра. Проведена итоговая оценка эксплуатационной надежности верхнего уровня иерархии отказоустойчивого ИКБО и сравнение его с аналогами. В таблице 1 приведены характеристики синтезированных в главе 3 алгоритмов.

Алгоритм А Шаговость алгоритма h ; Кол-во операций Треб, шаг 1 выисл. (быст. цикл БИНС НТР, сек. Вычислительная загрузка БЦВМ Конический дрейф Быстродействи е алгоритма (машин, время) Ва, сек. х 10"5

N. (сложения) Nx (умножени я) Абсолют. Ра Относит. ZP, % Аих град/ч х 10"3 A Uz рад/ч х 10"5

(1) 1 41 51 0,01 14810 0,52 13,18 23 6,7

(2) 2 50 60 0,02 8800 0,31 0,774 1,35 0,114

(3) 3 53 60 0,03 5967 0,21 0,744 1,30 0,168

(3.1) 3 59 63 0,03 6377 0,22 0,739 1,29 0,157

(4) 4 62 60 0,04 4700 0,16 0,716 1,25 0,213

(5) 5 77 84 0,05 5068 0,177 0,627 1,095 0,197

(4+) 4 62 66 0,04 5015 0,175 0,537 0,937 0,199

6 1 47 60 0,01 17300 0,61 0,186 0,325 0,578

7 1 50 66 0,01 18860 0,66 0,143 0,250 0,53

Ниже представлена методика выбора алгоритма ориентации БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО.

Постановка оптимизационной задачи:

1) задано некоторое множество МА алгоритмов А, подлежащих оптимизации (таблица1);

2) используется два критерия:

а) оптимизация алгоритмов по быстродействию (при выборе целевой функции в виде минимума относительной ожидаемой вычислительной загрузки БЦВМ

Е("=тш г „(А)

б) оптимизация алгоритмов по точности (при выборе целевой функции в виде минимума погрешности вычисления алгоритма при определении Д[/г матрицы направляющих косинусов по оси Т)\

Е(2, = шшД иг{А)

ЛШл V1' )

3) заданы общие ограничения для алгоритмов и характеристики БЦВМ:

- дрейф алгоритма вследствие методической погрешности при коническом движении с параметрами а=0,087 рад, V =1рад/с не должен превышать 10" град/ч характеристики БВМ: т=2,1; т+=0,35мкС

Для проведения оптимизации по двум критериям достаточно из данных таблицы 1 характеристик алгоритмов выбрать серию характеристик, для которых далее в плоскости критериев построить область Парето. Затем в этой области выбираем единственное решение.

В нашем случае, учитывая выбранные условия оптимизации, наиболее приемлемым является метод пороговой оптимизации. Здесь оптимизация реализуется на основе компромиссных отношений путем назначения предельных значений для всех критериев, кроме одного главного. Данный метод реализован на рисунке 5:

I. Штатная ситуация (Бвмжидр» икко - • С'3'. ВЗЛЁТ, МАРШРУТ В1*'

граЛ/ч* IQ"1 I -inin, [ГУ, -рад Г

п. KBMJV*2 - » штити III. ПОСАДКА

J^3* —inin,

0.5 0.6

0.8 0.7 0.8 0.9

Е1'>. %

II. Аварийная ситуации (БВММ1 - о £111, МАРШРУТ

¿ргпI /ч к 10"'

гказ. 5ВМХ»2 -

ВЗЛЕТ. ЗП, ПОСАДКА

н<а —in»!, Е^гоэя

0.8 0.9 1

Рисунок 5 - Оптимизация выбора алгоритмов БИНС по этапам полета

Основные этапы оптимизации выбора алгоритмов БИНС:

Первый этап - построение плоскости критериев синтезированных алгоритмов БИНС. На основе анализа таблицы 1 видно, что из 9 представленных - 8 алгоритмов (все, кроме алгоритма (1) имеют конический дрейф не превосходящий 10"'град/ч. Поэтому алгоритм (1) исключаем из рассмотрения.

Второй этап - формируем область Парето-оптимальных решений. При использовании принципа Парето предпочтительными являются алгоритмы, у которых при прочих равных показателях один показатель лучше. Принцип Парето не выделяет единственного решения, он только сужает множество альтернатив. Окончательный выбор за ЛПР - разработчиком систем.

Задача принятия решения в нашем случае состоит в минимизации двух противоречивых и несводимых один к другому критериев: Е(1)—>min, El2)—>min на множестве МА алгоритмов А. На рисунке 5 изображена плоскость критериев Е(1), Е(2) в которой область допустимых решений ограничена пунктирной линией. В область допустимых решений не вошел алгоритм (1), т.к. у него Д£/2>град/ч. Наименьшее значение критерия Е(|) достигается в точке (4) (Zp=0,16%), однако для точки (4) значение Е^' далеко от минимума. .

При наименьшем же значении критерия Е(2', которое достигается в точке (7) (Д Uz=0,143 Ш3град/ч), далеко от минимума значение е'1'. В идеальной точке (ИТ) оба критерия имели бы минимальное значение, однако эта точка не принадлежит синтезированным алгоритмам и поэтому недостижима.

Проведем через точки (4), (5), (4+), (6), (7) кривую, которая включает алгоритмы, наиболее приближенные к идеальной точке. Полученная кривая определяет для нашего случая область Парето, которая характеризуется тем свойством, что любое принадлежащее этой области решение нельзя улучшить одновременно по всем скалярным критериям. Таким образом, решение определяемое полученной кривой, должно быть Парето-оптимальным, поскольку остальные решения заведомо хуже сразу по всем скалярным критериям. Принадлежность решения области Парето является необходимым условием решения задачи векторной оптимизации. В итоге исключаем из решения алгоритмы, не входящие в область Парето — это алгоритмы (2), (3), (3.1). Для выбора единственного из множества Парето оптимальных решений необходима дополнительная информация.

В нашем случае дополнительной информацией являются признаки этапов полета самолета (учет режимов работы бортовых систем, интенсивность информационного обмена и другие), а также признаки исправности систем ( в нашем случае — исправность БВМ№1). На основе этих признаков в навигационной БВМ реализуются базовые алгоритмы БИНС и других систем тракта, а также алгоритм регулирования вычислительного процесса в зависимости от вычислительной загрузки БВМ.

Третий этап - выбор алгоритма из множества Парето-оптимальных решений с учетом введенных ограничений:

Е<»(л)-> min ; Е(2)(Л)<Ё(2) ^ Е(2)(Л)-> min ; Е(1)(Л)> Е<"

где: Е(1', Е(2) - пороговые значения критериев.

В современных системах управления и информационного обеспечения, особенно при наличии свойств многообъектности и иерархичности структуры, при жестких ограничениях на время решения требуется получить решение, удовлетворяющее системе ограничений. В нашем случае вводимые ограничения и предпочтения будут характеризовать этапы маршрутного полета самолета, а также исправность основного ядра БВМ№1.

Таким образом, на основе метода пороговой оптимизации сформированы условия и решена задача многокритериальной оптимизации - выбрано семейство алгоритмов БИНС (4+), (6), (7), которые обеспечивают эффективное

функционирование ИКБО на всех этапах полета воздушного судна, в том числе в особой ситуации - при отказе центральной БВМ. Эта проблема решается за счет рационального распределения вычислительной загрузки БВМ тракта навигации при управлении вычислительным процессом ИКБО в аварийной ситуации и при реализации штатных навигационных алгоритмов.

Далее на основе оптимизации выбора алгоритмов БИНС и предложенных рекомендации по использованию алгоритмов БИНС в составе ИКБО в работе предложен алгоритм регулирования вычислительного процесса в БИНС в зависимости от этапа полета и возникновения аварийной ситуации. Он обеспечивает рациональное распределение вычислительной загрузки БВМ тракта навигации отказоустойчивого ИКБО. Реализация алгоритма производится по дополнительной информации - признакам этапов полета самолета, а также признакам исправности систем, формируемым на основе реализации взаимного тестового контроля (в нашем случае - исправность БВМ№1).

Разработанный циклический алгоритм регулирования вычислительного процесса в БИНС представлен на рисунке 6 в виде блок-схемы.

^ Начало ^

ЛвзриИвый режим SBC (реконфигурация *ДР« ИКБО-

пспольэовшшв I-I1М №2)

т

Штатный режим БВС

(ялро ИКБО - БВМ №1)

Формирование признаков режима полета

^ Конец ^

Рисунок 6 - Блок-схема алгоритма регулирования вычислительного процесса в БИНС

Таким образом, при совершенствовании ИКБО модернизации подвергался только его верхний уровень иерархии - управления, контроля и индикации, остальная его часть осталась без изменений. Существующая БВС КСЦПНО-204 построена на базе ЦВМ-80 с использованием метода попарного резервирования для контура элементов с низкой степенью надежности ВСС, ВСУП, ВСУТ, СЭИ. Вероятность безотказной работы данного варианта составляет Р = 0,998 при коэффициенте затрат Кз = 2. С целью повышения надежности ИКБО в работе реализован вариант БВС на базе БЦВМ-486 со скользящим резервированием БЦВМ-486. Он позволяет не вводить

дополнительную БЦВМ, а использовать БЦВМ тракта НК в качестве резерва БЦВМ ядра (ВСС) и при необходимости БЦВМ ВСУП и Т или БЦВМ СЭИ. Данный вариант построения БВС позволяет построить отказоустойчивый ИКБО, использующий в верхнем уровне иерархии полносвязанную БВС, что при уменьшении коэффициента затрат на 65%, позволит повысить надежность до уровня Р = 0,9994. На рисунке.7 представлены структуры верхнего уровня иерархии БВС существующего КСЦПНО-204 и вариант структуры, предлагаемый в работе.

БВСиабазеЦВМ-80спопарным рюсрвированисмБЦВМ(БВС1ССЦШЮ-2(М)

БВС на бпзеБЦВЛ1-48б со скользящ! 1М резервированием Б1ШМ-486

Рисунок 7 - Варианты резервирования БВС отказоустойчивых ИКБО

Если рассматривать вариант использования в качестве скользящего резерва перспективные отказоустойчивые МВК на базе МП К1891ВМЗ с кратностью резерва Кр = 2 - 4, то тогда возможно существенное повышение надежности верхнего уровня иерархии ИКБО до значений Р = 0,9999 - 0,99999 и более.

В заключении на основе обобщения полученных в работе результатов сделан вывод, что цель диссертационной работы достигнута.

В работе решены следующие задачи:

- проведен анализ структуры и эксплуатационной надежности ИКБО, оценена производительность и вычислительная загруженность основных трактов бортовой вычислительной системы;

- разработана отказоустойчивая структура бортовой вычислительной системы ИКБО;

- проведен анализ параметров определения ориентации и разработаны экономичные по вычислительным затратам алгоритмы ориентации БИНС;

- путем имитационного моделирования проведено экспериментальное исследование эффективности разработанных алгоритмов ориентации БИНС;

- обоснован выбор экономичных по вычислительным затратам алгоритмов ориентации БИНС и выработаны рекомендаций по их использованию в составе отказоустойчивого ИКБО;

- проведена оценка эксплуатационной надежности вариантов БВС верхнего уровня иерархии отказоустойчивых ИКБО.

В ходе работы были получены следующие новые результаты:

1. Обоснована новая методика оценки производительности отказоустойчивой бортовой вычислительной системы ИКБО.

2. Разработан экономичный четырехшаговый разгонный алгоритм ориентации БИНС с минимизацией вычислительных затрат и повышенной точностью.

3. Впервые решена задача многокритериального выбора алгоритмов ориентации БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО по этапам полета.

4. Теоретически обоснован и разработан новый алгоритм управления вычислительным процессом в БИНС в составе отказоустойчивого ИКБО.

5. Обоснована новая структура бортовой вычислительной системы, отличающаяся повышенной отказоустойчивостью. Полученные результаты позволяют:

1. Повысить отказоустойчивость ИКБО за счет использования разработанных алгоритмов ориентации БИНС в зависимости от состояния вычислительного ядра ИКБО и этапа полета воздушного судна.

2. Применить разработанные методы и алгоритмы для создания специализированного программного обеспечения бортовых вычислительных систем перспективных воздушных судов.

3. Повысить уровень безопасности полетов воздушных судов гражданской авиации на основе отказоустойчивости ИКБО.

4. Выработать рекомендации по созданию отказоустойчивых ИКБО перспективных воздушных судов.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК для публикации материалов диссертационных работ:

1. Кивокурцев A.JI. Семейство экономичных алгоритмов для авиационнои бесплатформенной инерциальной навигационной системы. / А.Л. Кивокурцев // Вестник ИрГТУ, серия Машиноведение, №4(28). - Иркутск: ИрГТУ, 2006, - с.95-97.

2. Кивокурцев А.Л. Оптимизация выбора алгоритмов БИНС в составе интегрированного комплекса бортового оборудования самолета фронтовой авиации. / А.Л. Кивокурцев, С.П. Назаров //Вестник ИГТУ, №4(28). Том 1 - Иркутск: ИГТУ, 2006. - с.92-99.

3. Кивокурцев А.Л. Методика оценки производительности отказоустоичивои вычислительной системы интегрированного комплекса бортового оборудования. / А.Л. Кивокурцев, О.Н. Скрыпник //Научный вестник МГТУ ГА, № 187.- М.: МГТУ ГА, 2013. - с.168-170.

4. Кивокурцев А.Л. Оптимизация выбора алгоритмов бесплатформеннои инерциальной навигационной системы в составе интегрированного комплекса бортового оборудования дальнемагистрального самолета. / А.Л. Кивокурцев, C.B. Мишин //Научный вестник МГТУ ГА, № 187,- М.: МГТУ ГА, 2013. - с. 164-167.

5. Кивокурцев А.Л. Синтез высокоточного безразгонного экономичного алгоритма блока ориентации авиационной бесплатформенной инерциальной навигационной системы. / А .Л. Кивокурцев, C.B. Мишин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. Научный журнал, № 2(38).- Иркутск: ИрГУПС, 2013. - с. 168174.

В прочих изданиях:

6. Кивокурцев АЛ. Вопросы технической эксплуатации интегрированных комплексов бортового оборудования современных самолетов. / А.Л. Кивокурцев // В сб.: Авиамашиностроение и транспорт Сибири. Сборник статей II Всероссийской научно-практической конференции, приуроченной ко Дню космонавтики 11-13 апреля 2012г. - Иркутск: ИрГТУ, 2012. - с. 61-69.

7. Кивокурцев АЛ. Использование скользящего резервирования для построения отказоустойчивых интегрированных комплексов бортового оборудования. / АЛ. Кивокурцев., // В сб.: Актуальные вопросы исследований в авионике: теория, обслуживание, разработки. Сборник тезисов докладов Всероссийской научно-практической конференции. - Воронеж: ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», 2014. - с.125-126.

Ввиду ограниченности материала автореферата публикации диссертации в виде 16 работ в прочих изданиях не приводятся. Полный список работ представлен в тексте диссертации на сайте МГТУ ГА www.mstuca.ru.

Подписано в печать 3.10.14 г. Печать трафаретная Формат 21x29/2

_0,98 авт.л. Заказ №432 Тираж 100 экз._

Иркутский филиал Московского государственного технического университета гражданской авиации 664047, г. Иркутскул. Коммунаров, дЗ Редакционно-издательский отдел 664050, г Иркутскул. Байкальская, 6261 «А»