автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Совершенствование процессов маневрирования воздушных судов в районе аэродрома

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Департамент Воздушного Транспорта л _ Ордена Ленина Академия гражданской авиации

? Г 5 О л

На правах рукописи

ШАРКИН Вадим Аркадьевич ' ■

УДК629.735.072 '

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ МАНЕВРИРОВАНИЯ ВОЗДУЯНМХ СУДОВ В РАЙОНЕ АЭРОДРОМА

Специальность: 05.22.13 - Навигация и УВД

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени ' кандидата технических наук .

и.ЧКТ-ПЕТЕРБЧРГ • 1514

Работа выполнена в Ордена Ленина Академии гранданской авиации

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ действительный член Академии транспорта, доктор технических наук профессор ОЛЯНЮК П. Б.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: действительный член Академии транспорта доктор технических наук профессор РУСОЛ В. А. кандидат технических нацк доцент ЛИЛИН А. Е.

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ Кировоградская Академия гражданской авиации

Защита состоится

на заседании специализированного совета Д 072.03.01 Академии гражданской авиации по адресу:196210, Санк-Петербург, ул.Пилотов д.38, Академия Гй

'• . С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Академии ГА

Автореферат разослан " "________ 1994 г.

Учений секретарь .специализированного со' °_та кандидат технических наук, профессор

0. И. МИХАЙЛОВ

0Б1Ш ХАРАКТЕРИСТИКА РАБ0Т11

Актуальность теыы. Па мнении экспертов ИКАО основным фактории, сдерживающим развитие авиаперевозок во многих странах Евро-•пи и Азии в настоящее время, является недостаточная пропускная' способность аэропортов.

Рекомендованные ИКАО стандартные марвруты прилета и вылета воздушных судов предоставляют возмохность "эффективного, ревения задач по организации воздушного пространства в районах.аэродро- . .нов и позволяют обеспечить высокий уровень безопасности полетов!. _ В настояиее время накоплен больной опыт формирования.таких маршрутов, их использования на аэродромах в различных географических, условиях и при различной интенсивности воздушного.движения. По- • этому возникает необходимость детального анализа опыта-навигационного обеспечения пилотирования ВС по таким траекториям в инте- . ресах выявления возникашци* при этом затруднения. Такие затруд- ' нения обусловлены стремлением к достижении максимальной пропускной способности аэродромов, с одной стороны, и к обеспечении рациональных режимов пилотирования ло стандартным траекториям"- с другой. Трудности обусловлены преяде всего недостаточной точностью прогнозирования воздумной обстановки и несоверненством применяемых методов расчета и задания пространственно-временных траекторий (ПВТ) маневрирования ВС в РЙ, что сдерживает оптимизация приаэродромного движения, не позволяет в полной мере обеспечить возмоиность увеличения пропускной способности аэродрома, экономии топлива и ресурсов, безопасности и регулярности, полетов.

Необходимость поиска более точных способов задания законов * двияения ВС и прогнозирования воздушной обстановки, удовлетворяющих современным потребностям использования воздушного простран-. ства в РЛ. определяет актуальность настоящей диссертационной работы. . . . !

Цель работы и задачи исследований. Целью диссертационно^ . работы является разработке! методов"автоматизированного формирования ПВТ маневрирования, обеспечивавших более высокуа 'точность прогнозирования местоположения ВС во времени при йх маневрировании в РП.

Для достижения поставленной цели в работе: -. выполнен обзор применяемых методов задания ПВТ маневрирования на их соответствие требованиям обеспечения автоматизированного выдерхиванит зад-.анни/, траекторий;

- проведен анзлп мдостптков. связанных с предварительным

и оперативник планированием движения &С в РА. информационным обеспечением полетов и подготовкой летного и диспетчерского персонала к маневрировании ВС в РА;

- обоснованы требования, предъявляемые к формируемы» траекториям и навигационным элементам маневрирования, предлонена рациональная система координат задания ПВТ маневрирования ВС в Р6;

7 разработана методика формирования требуемых законов предпосадочного и послевзлетного маневрирования, реализация которых обеспечит достиаение высокой точности прогнозирования движения;

- исследованы возможности осуществления гибкого маневрирования ВС в РА;

- разработано математическое, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированного формирования ПВТ маневрирования;

- проведена апробация методов автоматизированного формирования траекторий маневрирования в практике подготовки и выполнения полетов и УВД в РД.

Нетоды исследования. В процессе решения перечисленных задач использовались методы теории моделирования и управления в слом-•них системах, теория динамики полета, аналитической и дифференциальной геометрии, вычислительной математики и структурного программирования,

. Научная новизна работы заключается в том, что впервые разработана:

- математическая модель процесса формирования ПВТ маневрирования, ВС е Рй: .

• '• - методика автоматизированного формирования ПВТ маневрирования» обеспечивающая достииение более высокой точности прогно-. зирования возианой обстановки и минимизацию интервалов рассредоточения ВС при маневрироваании;

- способ прогнозирования четырехмерного закона движения ВС относительна зеили и ^снованный на нем способ задания параметров двивёния ар» предпосадочном и послевзлетном маневрировании;

■ - дано обобщение методов оперативного управления движением ВС на этапм послевзлетного и предпосадочного маневрирования и введено понятие гибкие юы-еврирования.

.. Достоверность выводов и результатов исследований обеспечивается обоснованны*.исходных предпосылок и допущений, непротиворечивостью видвииутых научных положений и их подтверждением в процессе моделирования, проверкой научно-практических результатов исследований в процессе летной эсплуатации ВС и организации воздушного движения в ряде аэропортов, а также положительной экспертной оценкой, данной ведущими специалистами Академии ГА, ЦНИ'.Г АСУ ГА и ряда авиакомпаний и предприятий Г/1.

- 3 - ' ....■'-'

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основе разработанного математического, алгоритмического и программного обеспечения создана автоматизированная система форми-, рования ÜBT предпосадочного и послевзлетного маневрирования на базе персонального компьютера, которая позволяет:

- формировать предпосадочные и послевзлетные траектории в плане, профиле, трехмерной и четырехмерной системах координат; _

- задавать законы движения ВС не только геометрическими, но

и кинематическими ( скорости ) и динамическими ( ускорения ) ха- .• рактеристиками; • .,.*.'.

- моделировать процессы маневрирования ВС в РА в реальном-и • заданном масштабах времени и отображать его средбтвамй лавинной .графики: :

- прогнозировать воздушную обстановку.на любой момент времени и определять время и место возникновения случаев несоблюде-. . ния выбранных норм рассредоточения ВС при Маневрировании; ^

- рассчитывать данные для программирования сформированных ■ маршрутов маневрирования в бортовых навигационных комплексах и наземных системах УВД; ■''".'

- сохранять сформированные ПВТ и активизировать их по вызову пользователя;

- осуществлять контроль и коррекции, олубликованнмх схем маневрирования в интересах повышения безопасности и экономичности полетов в РА: '• .

- оуществлять контроль пути.при маневрировании на борту ВС и пунктах УВД средствами1, мавннной графики. ' •

На защиту выносятся; ' •

- методы формирования ПВТ маневрирования, .обеспечийакаий'' более высокую.точности задания траекторий в Рй; •

- алгоритмы автоматизированного формирования- ПВТ маневриро-. ' вания, обеспечивающие оперативность формирования траекторий и учет дополнительных'факторов.маневрирования;.

- способ прогнозирования четырехмерного закона движения-Вр , относительно земли и основанный на нем способ ээдания параметров , двияения при предпосадочном и послевзлетнон маневрировании;

- методология гибкого маневрирования;

- информационные модели отобраяения' процесса маневрирования ВС В' Pfl на базе персонального компьютера т.ипа IBH PC.

Апробация работы заключалась в представлении и обсуждении основных задач и промежуточных результатов исследований на Всесоюзной научно-практической конференции " Безопасность полетов и профилактика авиационных происшествий " < Ленинград, ¡988 г.), на заседаниях рабочих групп специалистов- ЦНИИ, ftf/i ГА ( 1Э30 -

.' . - 4 -

- 92 гг ). а такке на научных семинарах и конференциях Академии ' ГА. '

Результаты работы получили применение в шести авиапредприя-. тиях ГА при разработке новых схем маневрирования и использована для совервенствования подготовки экипаяей к полетам.

Публикации. Основные результатам выполненных исследований отражены в 7 печатных работах, представленных статьями в Сборниках научных трудов, тезисами докладов и в "Методических рекомендациях 'ПЭ организации управления потоками прилетающих и вылетающих ВС в РА ". утверкденннх зам.министра ГА 29.06.1990 г. / Структура,и обьем работы. Диссертация состоит из введения,

пяти глав. заключения, списка литературы и приложений. Содержит 142 страницы основного текста. 49 иллюстраций, 15 таблиц и 7 приложений на 8 страницах. Список использованных источников со-дергит 97 наименований на 10 страницах.

. ■ КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

'. Во- введении отмгченз актуальность выбранной темы, отражена основная направленность диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследований.

Первая глава содержат о.бзор литературных источников, характеризую« современные подходи к Формировании пространственно' временных траекторий маневрирование в РА.

. ПЬТ представляет собой строго определенную временную про-■ ''-грамну движения центра масс ВС ъ пространстве и в обобщенном ви-1 № списывается системой уравнений ,

где 2) • 'зi • ' координаты ВС в некоторой в обцеи случае криволинейной системе координат..

' Основная задача самолетовождения состоит в обеспечении наиболее точного совпадения фактической траектории полета с про- . грамкнзй: Для этого в. любой момент рремени необходимо выполнение условий:

н(т) - Нъ(т)

- 5 - ' -.."''

Представленные условия могут быть выполнены при реализации соответствующих законов управления ВС'и предполагают задание, программ его движения по каядой из грех координат.

Программы двимения ВС до сих пор принято задавать в главной и частно-ортодромической системах координат (ЧОСК).

Из трех программ заданного двияения ВС во.времени в ЧОСК моано получить только программу заданного бокового двикения. Для задания программы продольного и. вертикального маневрирования эта система координат неудобна, так как линия заданного пути (ЛЗП) при маневрировании оказывается криволинейной.и в горизонтальной, и в вертикальной плоскостях, . '..'•.

В качестве системы координат, пригодной для 'программировав ,ния продольного и вертикального движений ВС'в ходе маневрироваЧ ния целесообразно использовать криволинейная систему координат, одна из осей которых совмещается с ЛЗП. вторая - перпендикулярна •ей,-а третья - направлена вдоль местной вертикали, и задачи са- ' молетовоядёния принимают вид '■■'"■ . • ■'

• 2(7)^0 -

. АН (г)-1н(Т) -

•

В данном выраяении в любой момент времени координата 7. (Т) представля'ет. собой'величину бокового уклонения от ЛЗП.¿$(т) ха- ■ рактеризует соблюдение временной программы полета, а лн(т)~ ук-' лонение от заданного профиля. _ 'I- .''

Согласно.этой системе уравнений продольное и вертикальное' двиаения ВС будут заданы, если на каядке моменты-времени 7Г ,бу-. дут определены заданные значения координат Эй)/. Однако выполнения приведенных условий недостаточно для обеспечения самолето-' вождения. ' -

Лля выявления условий, выполнения которых требуется для удершания ВС на заданной траектории,'предполовим. что в момент / = Т фактические координаты где ¿= 1. 2. 3. совпа-

дают с заданными

*;(Г) ~Х: (?)

и произведем разложение функций £) и в ряды Тейлора

в некоторой окрестности точки Т- . Выполняя эту операцию

убеадаемся, что для удержания ВС на задаваемой траектории помимо

- е -

равенства координат в момент ^ = x необходимо также равенство производных' фактических и задаваемых координат на каждый момент времени '

.. ^ (Т) » X; (т)

где я.« 1, 2, ... - порядок производных.

Данный вывод подтверждается практикой выполнения полетов, т.к. очевидно, где присутствует заданный путь и заданное время, нельзя обойтись без заданных значений" скорости и ускорения'.

Отсюда следует, что при формировании ПВТ необходимо исполь-зпвать криволинейную систему координат, о-траяащув реальную геометрию движения ВС. дополнив сведения о координатах их производными.

Во второй г,(!аве дана классификация проблем, связанных с расчетом и заданием ПВТ маневрирования, которые разделяются на проблемы предварительного и оперативного планирования движения в Рй и- информационного обеспечения. Отдельно рассматриваются также •вопросы подготовки летного и диспетчерского персонала.

В процессе выполнения полета ВС в общем потоке воздушного движения одновременно и неразрывно решаются три задачи: пространственной стабилизации ВС относительно центра тяжести; управления полетом ВС по заданной траектории; регулирования движением В.С в общем потоке для обеспечения безопасности полета. ' .. От того, как решается вторая и третья задача, зависит качество функционировани системы УВД в Рй и .ее способность планомер-' но, безопасно и экономически выгодно использовать воздушное пространство в интересах всех пользователей.

Пооблемы предварительного планирования движения на этапе организации маршрутов прилета и вылета возникают главным образом из-за того, уто использование традиционных, неавтоматизированных мет.сдов формирования траекторий тормозит процесс совершенствования'сети маршрутов прилета и вылета и не дает возможности осуществлять оптимизация траекторий цме на этапе их формирования.

.- При непосредс'твецном УВД в Рй качество функционировани сис-,темы управления капрямуг зависит от правильности действий летного и диспетчерского персонала-по формированию, прогнозированию и выдераивэнии траекторий приаэрод'ромНого маневрирования. '

, К числу наиболее эффективных мероприятий по организации • воздушного пространства .относится организация стандартных бесконфликтных фиксированных в пространстве траекторий маневрирования, позволяющих облегчить работу экипажей, персонала слугсбы двиаенпя и существенно повысить безопасность полетов. Стандарт-

ние траектории маневрирования сбеспечивавт пространственная фиксации линии заданного пути в горизонтальной плоскости, и задание ограничений в некоторых точках профиля траектории в вертикальной плоскости.

Реализация надлежащего ренина движения ВС по задаваемой" траектории возлагается на экипаж, которому представляется свобода действий в выборе поступательной и вертикальной скоростей полета, что безусловно создает благоприятные условия для выбора рационального режима пилотирования с учетом реальных условий по- . лета, загрузки ВС и.т.д. При этом перед экипажем возникает непростая задача определения местоположения и времени, йачала снм-жения, обеспечивающих наибольшая экономив топлива, наименьиув .или некоторую заданный продолжительность маневрирования. -' ."• -

Форма и профиль стандартных траекторий.в различных аэропортах различается до такой "степени, что бывает трудно подобрать, законы пилотирования для реализации заданной геометрии движения. " Запаздывание с выходом ВС на установ'леннув высоту в точке выхода на посадочную прямую недопустимо, а преждевременный выход будет сопровождаться перерасходом топлива.

Без автоматизации расчетов по оптимизации закона движения ВС вдоль маневренной траектории задача оказывается трудно разрешимой. . V

Возникает вопрос, не следует ли облегчить экипажу решение этой задачи путем видами ему некоторой дополнительной информации о целесообразных значениях скоростей и ускорений, которые доляно выдерживать ВС при' движении по стандартным траекториям.

Такова первая группа задач, которые возникают при :стремле-' нки обеспечить безопасность полетов в района аэродрома и достиг-'' нуть максимальной экономии топлива и ресурсов ВС:

Кроме этой группы задач столь же остро стоят- задачи.навига-. ции и управления воздушным движением в районе аэродрома. Среди этих задач мое но выделить- задачу повышения точности прогнозирования выхода ВС в 'точку, относительно которой определяются кн-тервалы рассредоточения ЕС. от решения которой в значительной степени, зависит решение задачи повышения пропускной способности аэродрома.

Сложность задач навигации и НВД обусловлена тем, что законы поступательного движения ВС, т.е. режимы пилотирования, задаются значениям приборных скоростей," а при проведении навигационных расчетов и при решении задач НВД требуются информация о воздушных скоростях, характеризующих движение ВС относительно воздушной массы и путевых, т.е. скоростях движения ЕС относительно земли; Лри зтом переход от приборных скоростей к путевым требует

знания обширной информации о параметрах воздушной среды в точке располояения ВС, а также о величине и направлении ветра. Ясно, что учет этих данных и оперативный расчет момента выхода ВС в точку окончания маневра возможен только на основе автоматизации расчетов.

Анализ проблем маневрирования ВС в Pfl указывает на то, что расчет и задание траекторий маневрирования под различные типы ВС, ориентированных на реализацию рациональных роаимов пилотирования в £кладывающейся возданной обстановке с учетом текущего состояния атмосферы и воздействия ветра, является важной навигационной задачей, требующей реыения. к

Треия глава посвящена концептуальным вопросам формирования ПВТ маневрирования ВС в РП.

В связи с тем, что методы формирования ПВТ долины удовлетворять потребностям регулирования движения в РА. для разработки методологии Формирования ПВТ большое значение имеет постановка задачи оперативного планирования движения в РА.

Известный подход разделяет решение задачи'оперативного планирования на два этапа:

- на первом этапе определяются времена посадок ВС ( TJ у

- на втором, рассчитывается и задается траектория, удовлетворяющая найденному значении

В качестве критерия Функционирования системы УВД предлагается принимать экономическую эффективность, т.е. сводить до минимума расхьд топлива по всем модным потокам, на что иаиеливавт "рекомендации ИКАО и ИГА.

Для множества ^ ВС с некоторыми функциями стоимости полета в интервале предполагаемого времени маневрирования для минимизации критерия стоимости

9er -- min 2EÄ; (ij) J

требуется определить вектор назначения времени посадки каждому судну Т* {Tf}, J С1- N - учетом интервалов безопасности

. • TJfl-Tj'>*tS

Реиение задачи в обцем виде представляет собой достаточно сложный процесс, шитому для его упрощения предлагается ввести понятие времени номинального маневрирования 1 iohj . а Функцию стоимости полета, эквивалентную стоимости по расходу топлива, принять линейной и за&исяяей от от г. л окр пая т>т времени номинального маневрирования aTj = tj - . т.к.

« 00*. л^) лупе Т - тип самолета.

Коэффициент является функцией типа ВС и направления изменения времени посадки. Обобщенный критерий стоимости будет равен

<Рсг

к/ _ *..-."

Если разрешение конфликта потребует изменения' времени посадок с суммарным значением ^^ Ь то крйтер'ий с+оимос-г .ти маневрирования ^-г будет минимальным, если увеличи-.

вать у членов с минимальным К , то есть для наименьшего возрастания Уст от лТ следует переходить к сдвигу номинальных времен посадок для ВС с более весомым коэффициентом только исчерпав' возможности сдвига для судов с меньиим коэффициентом. . . :

В общем виде, оптимальное движение множества V ВС.мояно описать системой векторных дифференциальных уравнений:

= "У - .....д ■ к '

с условиями заданного временного разделения самолетов в конечной точке маневра , . ■

'¡Tkj„ - Ujl-sts*

О

где xj - вектор координат -го самолета; _ ;'. '.'"

Mj - .вектор управления; ' '

Tc>¥t , Tvj ~ моменты прилета в конечную точку J ' любых.двух смеяннх самолетов.

Необходимо.найти множество векторов управления ij , доставляющих минимум Функционалу Фет • '■. ,

При этой можно оперировать траекториями четырех-видов, обеспечивающих: •'•■..■ •

- минимум экономических затрат (вид 1); ' - минимум времени полета (вид 2Э;

- максимум времени полета (вид 3); .

г 'прибытие ВС в заданное'время с минимальными затратами (вид 4). • .

Так как все четыре Еида траекторий, оптикизиру'юцих движение в Рй, увязываются со временем маневрирования, на их формирование будут оказывать влияние реиими выполнения'полета. В руководствах

по летний эксплуатации для каждого типа ВС приводятся, как правило. два ремкма полета, один из которых соответствует оптимальному по экономическим затратам профили сникения или набора, а второй обеспечивает наибольшие экономию летного времени и называется скоростным.

Этим релимон соответствует определенный порядок выдерживания скорости в зависимости от высоты полета, обозначить которые

К окно /э.эх и ví/ío»

Тогда, б оперативном планировании движения могут участвовать 4 вида траекторий:

1. Номинальная - имевшая нииийальнуш длину J«;« и высот-носкоростиой прафиль, соответетвувдий ;

2. Минимальная - ииеацая минимальную длину и высот-носкоростной профиль , саответетьумий ;

3. Максимальная - именная максимальную длину S,»«х и вы-CCTHOCKOpOCTHüñ профиль, соответстьуянгий Узко» :

4. Программная -обеспечивающая заданное время полета в зоне управления.

. Рассмотрение в первой главе требования к навигационным элементам маневрирования стали определякиими для выбора систем координат модели маневрирования ВС ь Рй.

Задание законов дви.хения ВС при маневрировании в РА осуществляется с тмех'-а дь-ух различных систем уравнений, описывающих деиаензе ВС' в разнкх системах координат.

. Для обеспечения точного самолетэьмдения пи заданным траек-''Т('-;"кги используется индивидуальная криволинейная система координат. законы híkjími в которой зад»втсз следующими системами уравнений, уяовлегьорякаими ьсу* тр^Гн-ьгшиям к навигационни* элементам нингирирьиодия:

- для Сог.оьосо упраадениа

= V', ,)

- для продольного управления

¿з - ¿з а)

- для вертикального управления

¡U -!h(ú

^ = (¿) 1 ;

= ¿7/1 з Г/)

¿3 * 0,

где ^ - заданное значение путевого угла'траектории;

- заданное местоположение ВС на криволинейной оси, формируемой геометрией заданного пути; ■ ' • ^ ~ продольная и вертикальная скорости маневрирования;

<7>/м . <?а- продольное и вертикальное, ускорения; '

//5 - заданная высота полета; .

в - угол наклона траектории. . .

Заданные значения координат и их производные домни рас--считипаться с учетом возмужавшего воздействия, ветра и текущего состояния атмосферы вдоль траектории маневрирования.

Для разрешения потенциально-конфликтных .ситуаций и одновременной оценки выдерживания планов движения ВС, используется единая для всех- ВС нормальная прямоугольная система координат, в которой задаются координаты ВС и их производные, позволяющие определять экстраполированные местополояення множества маневрирующих и Гй 1)С. и развитии воздуаной обстановки на любой интервал времени.

Четвертая глава раскрывает процесс автоматизированного Лорнирования пространс т.чшч-временных траекторий маревририванил ВС в РП. . - ' .

Формирование Пат к пинается с формироыиия линии заданного пути. т.е. с геомстркн дчилк.та в горизонтальной плоскости,

Расшотренч типиыи.' сх»;ки .предпосадочного, игнорирования, игоьиренинв в гмътьетг.-О'угацм/: документах ИКАО и МГЙ и геометрия пути, формируемая п нроннссе некторения ВС.

Далее представлен алгоритм фоумиреданн.ч траекторий .типовых схен канеериршмшга в и/-не, разработанный в процессе выполнения диссертационной рагютн.

Согласно представленному алгоритму' мог.ут рассчитывайся элементы траектории кпн ¡пмния о аэродромный :;руг полетов и траектории более слижниго ;шда. котсрые Формируется последователь- . ним заданном Фр.л-к'ч'юп маногра. которые могут представлять собой прямолинейные участки. д';гм разворотив заданного радиуса м' центрально1"о угла или их сочетание-. _ •

Полччннншг ал»'К1-'!(ты п.-ометрии пути иозволяят программировать еоневреннуп траектории. в I при лнпальной плоскости в геогра-••ичемюй и Л1!0"й др':гой си1,Т1-н.:х координат и рассчи",ива/ь данные

:'•' "••■•' ■ -12 -по контролю пути.

В-главе приведены формульные зависимости, участвующие в автоматизированном формировании траекторий маневрирования в порядке их использования по ходу работы алгоритма. Программное обеспечение автоматизированного формирования траекторий базируется как на ранее известных Формулах, например сферической тригонометрии, так и на полученных автором в процессе выполнения диссертационной работы.

Приводятся примеры программирования стандартных мармрутов .■прилета для аэродрома Пулково'.

. Показано, что разработанные методы задания ПВТ в'Рй могут Найти свое' применение не только для формирования программ ЛЗП 1 маршрутов'' прилета и вылета для БНН, но и для проверки качества опубликованных схем. Выявленные в ряде аэропортов недостатки 'подтверждают целесообразность применения автоматизированных ме- . тодов формирования ПВТ в целях кон|роля публикуемых в документах аэронавигационной информации схем маневрирования.

. Дана 'оценка эффективности применения систем автоматизированного формирования.траекторий для автоматизации самолетовояде-ния в РА." Использование подобных систем делает возможным автоматизированное вокдение ВС по всему маршруту прилета, обеспечивая одинаковые значения СКП определения времени выхода ВС в точку окончания Мсшевр'а для любого маршрута прибытия.

. После1 рассмотрения вопросов формирования геометрии двииёния 'в плане'изложены принципы формирования пространственно-временных траекторий. ' ' ...

. •. Для этого на какдый момент времени предлагается' определять -.ё продольном направлении движения

■ -заданное криволинейное расстояние до точки окончания маневра вдоль ЛЗП, ¿»ыу ;

- заданные значения продольных скоростей и ускорений, задающих и характеризующих двикение ВС относительно воздуаной среды и земной поверхности В направлении ЛЗП', т.е.: ,

.- приборную скорость поле-та, Л'пр ;

- истинную скорость полета,. ^ ;

ускорения IV и : ■ .

-»путевую скорость, ^ ; . - значение заданного путевого угла, Ч' • •

и в вертикальном направлении движения: '' - заданную высоту полета. (I ; - .

-'вертикальную скорость'и ускорение, Й и ^ ; .. - значение заданного угла наклона траектории,С? .

Для получений продольных характеристик движения ВС относи-

телыш земли в криволинейной системе кооординат, заданные законы пилотирования должны быть преобразованы с учетом данных об отклонении температуры воздуха на высоте от характеристик MCfl в законы изменения истинных скоростей в зависимости от высоты полета. на основании которых с учетом ветров.ого ремима и путевого профиля траектории рассчитывается закон изменения.путевой ско- , рости.

В связи с тем. что процесс маневрирования сопровождается сменой режимов пилотирования й направления движения, выполняется1 с переменным профилем в условиях непостоянного ветра и состояния '■ атмосферы , предлагается пространственный ' путь' маневрирования расчленять на участки, в пределах которых состояние внешней сре- • ды и скорости движения мо'шно считать постоянными, но изменяющимися от участка к участку. • ' •

Далее рассмотрен процесс формирования IÍBT по заданным зако.-нам пилотирования.

!!а первом этапе задаются начальные и конечные координаты на криволинейной оси и по вертикали, которые увязываются во времени.

На втором этане задаются законы продольного и вертикального • движения ВС маневрирования. Продольный и. вертикальный скордстные профили делятся на участки, в пределах которых считаются постоянными значения приборной и вертикальной скоростей полета. Для ■ каждого участка задаются начальные и конечные значения высоты, в пределах которых выбранный скоростной параметр остается неиэмент'-ннм. Для обеспечения непрерывности скоростных профилей задаются . скорости перехода к очередному значении данного скоростного па- . раметра в виде ускорений.

Па третьим этапе задаются температурные параметры атмосферы, и ветра по высотам полета в районе аэродрома. • .

Далее приводится порядок расчета навигационных элементов маневрирования. . ,.

■ ÍÍ конце главы представлен алгоритм Формирования пространственно-временных трасктчрий и примеры формирования ПВТ в РА Рига, по стандартному маршруту прилета Saina 1(1 Для разных условий .маневрирования ВС Ил-7'J. • : ■

» В пятой главе рассмотрены вопросы применения гибких'ПВТ в целях регулирования движения ВС в Pfl. .

Обеспечение заданного времени прибытия ВС в. конечную точку." маневра возможно изменением: ;•

- длины маневра.прибытия: . ' .

- скорости маневрирований: ' '.' "

- комплексным гмрьирппанием как длины пути, так и скорости •

.;■•.. - 14 -

маневрирования. Хотя способы регулирования движения ВС в Рй давно известны, ■они до сих пор не реализуются на практике ввиду отсутствия точных методов расчета параметров регулирования.

Известные подходы регулирования предполагают равномерное движение, которое осуществить при маневрировании в Рй невозможно, так как путевую скорость взаимно определяют; •

т заданный закон выдервивания приборной скорости, У яр (Н) - отклонение температуры от стандартных условий, ЩК (Н) ' ' - заданный закон видервивания вертикальной скорости Л^Я); '- путевой профиль траектории, V (ь) и • ' - воздействие ветра, и время регулирования кр'г есть результат взаимодействий этих факторов, т.е.- .

V« *(н), V* (Н), Ум («), , и (//)] ; . '

. Это обстоятельство объясняет причины, по которым известные способы регулирования двиаения ВС не могут быть реализованы на .практике; • . .

При автоматизированном формировании ПВТ весь путь расчленяется . на . участки, в пределах которых продольную-и вертикальную скорости и-состояние внешней среды моано считать постоянными', но изменяюмимися от участка к' участку. Элементы ПВТ рассчитываатся •с достаточно .малым шагом 4 При котором изменение продольных и "вертикальных скоростей относительно земли будет носить линейный характер..' • • . • ■ Для каждого интервала Л определяется свое среднее значение путевой' скорости , пройденный учасковый и нарастающий 'путь и .суммарное время. Если расстояние исчерпано, т.е.

= £л1-\\'1 =

»

процесс формирования траекторий прекращается и время маневрирования 'будет равняться сумие накопленных интервалов.

Для регулирования двиаения необходимо подобрать законы-продольного и вертикального пилотирования таким образом, чтобы полученный 'закон изменения-путевой скорости обеспечил прохождение заданного пути в заданное время."

• Что касается изменения длины маневра, та здесь на время ма-.чеврирйеания оказывают воздействие сразу три фактора. '

Вс-первых. величина лрираыение длины ман&срз , во-вторых. удаление места прирахения пути от тсчлн скончания маневра.

- 15 - ■ " ■ .

и, в третьих, полученный в результате изменения длины пути-новый путевой профиль траектории

ПВТ, имевшую в своем составе участки, в пределах которых геометрические, кинематические и динамические характеристики-движения рассчитывавтся и действуют исходя из складывающейся воздушной обстановки, предлагается считать гибкой, а маневрирование по таким траекториям, гибким маневрированием.

• При варьировании законами двииенця ВС'в качестве исходных законов движения ВС предлагается выбирать законы, минимизирующие' топливные затраты при маневрироваании в РА. -

Для определения заданного времени маневрирования сначала следует сформировать номинальную ПВТ, .

По рассчитанному времени маневрирования определяется

время прибытия данного ВС в конечную, точку маневра и если полу- . ченное время окончания маневра не обеспечивает выдерживание заданных интервалов времени прибытия ВС, выполняется расчет нового времени прибытия и заданного времени выполнения маневра. Время регулирования движения определяется по формуле .

^у-ег = Ьмлн3 ~ ЬмАНр

Если геометрия траектории остается неизменной и корректирования подлежат законы двикения, то для каждого участка скоростного профиля будет справедливо следующее равенство

У.-и * Ы* 1-й = К/-*/

где К> - исходная скорость в начале участка';

'- заданное ускорение ; ■ . . .

V и V' - заданная скорость движения на участке до и после коррекции; ,

"^4. и ^я - время разгона с ускорением до и после коррекции; , , '' ' , • .

•¿V и ^Vl■* время полета со скоростьп V до и V ■ после коррекции; - • ■ • ,

Затем необходимо выбрать участок скоростного профиля дзике-'_ ния ВС, на котором будут изменяться законы пилотирования.

После определения новы:; значений приборной и вертикальной скоростей пилотирования ВС следует сформировать-новую' ПВТ.

Рассчитанное в результате Соркирования'ПВТ.время маневрира-' иания 'следует сравнить с заданным и определить 'величину рассогласования, которое неизбежно на первом- этапе коррекции, т.к. меняется время разгона.до новой скорости продольного двияения.

' ;- - 16 -

Затем следует повторить коррекцию законов пилотирования до получения заданного времени маневрирования.

Если рассчитанные в целях регулирования движения законы продольного и вертикального движений ВС выйдут за рамки допусти-иих. следует изменить протяженность маневра, т.е. перейти к ре- ■ Формировании геометрии ПВТ. . .

Проанализированы варианты ; варьирования длиной пути и рас-'•• смотрен порядок автоматизированного реформирования геометрии ., траекторий'в целях регулирования двииения ВС.

• '• На демонстрационной дискете, см. .Приложение 7, представлен розыгрыш регулирования движения ВС' в РЙ Рига по условиям складывающейся воздушной обстановки-. При этом, формирование и реформи-

.'р'ование Траекторий выполняется в четырехмерной системе координат

в'-заданных'линейном масштабе-и масштабе времени. ,. ' В конце главы представлен алгоритм применения гибких траек- • торий. . , .

..':■•■.•. . ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа содер!ит решение актуальной научно-практической задачи автоматизированного формирования пространственно-временных траекторий маневрирования ВС в РА."

Основные результаты, работы формулируются'следующим образом: ; 1. •Обоснована целесообразность задания ПВТ маневрирования ВС..в Рй в криволинейной системе координат, отражающей геометрию

• ..заданного пути и информацию о'значениях производных координат.

• как. Функций времени. '- " ■

,2. -Разработана математическая модель процесса формирования ПВТ маневрирования ВС- в Рй, обеспечивающая реализации концепту- . ал'ьных возможностей стандартных траекторий, прилета и вылета, рекомендованных ИКАО,.'с одной стороны, и использование в целях регулирования совместного движения ВС известных видов траекторий, оптимизирующих индивидуальное движение по миниму экономических-затрат, минимуму или максимуму времени маневрирования, либо по заданному времени прибытия ВС, рекомендованных к использованию в перспективных системах посадки, -с другой стороны.

3*. Предлагается технологический процесс формирования траекторий. маневрирования' в Рй.в виде последовательных этапов форииг рования геометрии траектории в горизонтальной плоскости, законов пилотирования и действительного двикения ВС,- профиля траектории . и'временкоЛ программы движения ЕС. расчета координат и их произ- ■ во-дных на заданные моменты времени..

4. Разработан способ прогнозирование четырехмерного закона

- 17 - ■ - . '

двимения ВС относительно земли-и основанный' на нем способ-задаг / ния параметров движения при предпосадочном и послевзлетном ма- ". неврировании, обеспечивающий достияение более высокой точности ' прогнозирования воздушной ' обстановки и минимизации' интервалов -рассредоточения ВС при маневрировании. _ ■'

5. Обобщено понятие векторештя, введено представление О гибких траекториях маневрирования и разработано соответствующее математическое, алгоритмическое п программное обеспечение формирования ПВТ. . - ' • •

Б. Реиена навигационная задача по расчету и заданию траек- -■ торий маневрирования для различных типов ВС, ориентированных на реализацию рациональных режимов пилотирования в складывающейся .■ воздушной обстановке с учетом текущего состояния атмосферы и во-' здейстпия ветра. . ■ .

7. Проведен комплексный анализ результатов автоматизированного формирования ПВТ. который подтверкдает правомерность новых подходов к формировании траекторий в интересах оптимизации процессов пилотирования ВС и УВД в Рй.' . ,

8. -Научные- и практические результаты внедрены:

- в процессы разработки Инструкций по производству полетов • и новых схем маневрирования для аэродромов "Рига международный" • и "Сочи (Адлер)";

- в виде нового комплекса зада1) " Маневрирование в районе аэродрома" в рамках ЙС "Вылет", разработанной ЦНИИ АСУ Гй; . '

- в процесс подготовки и выполнения полетов авиакомпании., "Инверсия", эксплуатирующей ВС Ил-76; .

- в процесс автоматизированного контроля публикуемых в документах аэронавигационной иформации схем маневрирования.

Основные результаты диссертационной работы получили отраие-. ние' в " Методических рекомендациях по организации управления потоками прилетающих и вылетающих ВС в РП ". утвержденных МГА 29.06.90 г. и следующих научных работах:. , ,

• 1. Тумариин В.Д. Автоматизированная система планирования воздушного движения в районе аэродрома. - В кн.: Методы и модели автоматизации процессов УВД. Меявузовский тематический сборник научных трудив. П.: 0/ШГ0, 1989, с,- 122,

, 2. Туморкин В.П. К вопросу о методах Формирований траекторий предпосадочного маневрирования. - В кн.: Проблемы навигации и управления воздушным движением. Кенвузовсиий тематический'-сборник научных трудив. - Л.: 0Л.1ГА, 1389, с, 133, ■

' 3'. Тумаркин В.П. Моделирование гибких - траскторий'захода на посадку. Доклад'на и Всесоюзной научно-практической'конференции ■' по безопасности политоп. Ленинград, 1У88. . •

- 18 -

4, Тумаркин В.А. Моделирование.процесса наведения воздушных судов -в районе аэродрома. - В кн.: "Проблемы навигации и управления воздушным движением". Межвузовский тематический сборник научных трудов. - /1.: ОМА, 1991.

5. Тумартш В.А. Некоторые вопросы подготовки операторов к работе с перспективными системами навигации и УВД, - В кн.: Методы навигации и управления движением.воздушных судов в перспективных системах обеспечения полетов. Межвузовский тематический

сборник паучник трудов. - Л,:. ОЛАГА» 1989, с.112. / *