Инстурментальный заход на посадку в условиях дефицита пилотажной информации

Аннотация

В статье рассмотрены результаты моделирования инструментальной посадки в условиях ограниченной частоты обновления курсо-глиссадных планок на приборе ПНП. Приведено описание высокомобильного обзорно-посадочного радиолокационного комплекса. Представлен используемый полунатурный стенд. Описана методика проведения экспериментов.

Введение

На ранних этапах разработки мобильных систем посадки необходимым инструментом является проведение моделирования процесса посадки на тренажных стендах для обеспечения требуемых классов точности [1]. В работе представлены результаты дополнительных экспериментов по моделированию приборного захода на посадку при ограничениях на частоту обновления информации о положении относительно глиссады, что связано с особенностями работы радиолокационного комплекса [2].

Высокомобильный обзорно-посадочный радиолокационный комплекс РЛК-ВМ

РЛК-ВМ предназначен для обеспечения группы руководства полетами радиолокационной информацией для управления полетами и посадкой воздушных судов (ВС) на временные взлетно-посадочные полосы и вертолетные площадки.

РЛК-ВМ включает:

• совмещенный трехкоординатный обзорный и посадочный первичный радиолокационный канал;
  
• обзорный вторичный радиолокационный канал в IV и VI режимах Единой системы государственного радиолокационного опознавания (ЕС ГРЛО), обеспечивающий получение координатной и полетной информации без реализации функций опознавания;
  
• обзорный вторичный радиолокационный канал в режиме RBS;
  
• средства технического управления и контроля (ТУК);
  
• пульт управления и отображения информации;
  
• средства сопряжения и передачи данных;
  
• средства регистрации информации;
  
• средства топопривязки и юстировки;
  
• средства вторичного электропитания;
  
• одиночный комплект запасного имущества и принадлежностей (ЗИП-О);
  
• комплект эксплуатационной документации (ЭД);
  
• комплект программного обеспечения (ПО);
  
• средство транспортирования.
  

РЛК-ВМ обеспечивает круговой по азимуту и секторный по углу места обзор воздушного пространства по первичному и вторичному радиолокационным каналам, в том числе:

• обнаружение ВС, измерение их координат и параметров движения;
  
• запрос, прием и обработку полетной информации от ВС IV и VI режимах ЕС ГРЛО;
  
• запрос, прием и обработку полетной информации в режиме RBS;
  
• совместную обработку координатной и полетной информации;
  
• вычисление отклонений ВС от установленных траекторий захода на посадку по курсу и глиссаде;
  
• техническое управление и контроль работоспособности собственных систем;
  
• отображение, регистрацию и хранение получаемой РЛИ, а также данных ТУК;
  
• выдачу получаемой РЛИ, а также данных ТУК на взаимодействующие объекты по согласованным протоколам;
  
• топопривязку и юстировку без привлечения топогеодезической службы.
  

ТТХ обзорного первичного радиолокационного канала

Диапазон рабочих частот - в пределах от 2,7 ГГц до 3,1 ГГц.

Зона обзора (инструментальная):

• по азимуту – 360º;
  
• по дальности – от 1,5 км до 60 км;
  
• по углу места – от +0,5º до +15º;
  
• по высоте – не менее 6000 м;
  
• по скорости – от 30 м/с до 300 м/с.
  
• Время обзора зоны по выбору оператора – 2 с или 6 с.
  

Максимальная дальность обнаружения ВС с эффективной поверхностью рассеивания (ЭПР) 5 м² при углах закрытия не более 0,5º вероятности правильного обнаружения 0,8 и вероятности ложной тревоги по собственным шумам приемника не более 10^-6:

• при высоте полета ВС, равной 6000 м – не менее 50 км;
  
• при высоте полета ВС, равной 1000 м – не менее 40 км.
  

Среднеквадратические погрешности (СКО) измерения координат по сопровождаемым ВС в пределах 0,5-0,8 от заданной максимальной дальности обнаружения в беспомеховой обстановке не превышают:

• по азимуту – 30 угл. мин;
  
• по дальности – 50 м.
  

Коэффициент подавления отражений от местных предметов - не менее 48 дБ.

Количество одновременно сопровождаемых ВС - не менее 20.

ТТХ посадочного первичного радиолокационного канала

Диапазон рабочих частот должен быть в пределах от 2,7 ГГц до 3,1 ГГц.

Зона обзора (инструментальная):

• по азимуту – ±25º относительно направления посадки;
  
• по углу места – от минус 1º до +15º относительно линии горизонта;
  
• по дальности – от 0,3 км до 17 км.
  

Сектор измерения по азимуту в пределах инструментальной зоны обзора - не менее 10º.

Максимальная дальность обнаружения ВС с ЭПР 5 м² при вероятности правильного обнаружения 0,8 и вероятности ложной тревоги по собственным шумам приемника не более 10^-6 при горизонтальной поверхности и отсутствии углов закрытия на углах места от +0,5º до +7º - не менее 17 км (в том числе при наличии осадков интенсивностью до 5 мм/ч).

Примечание – Дальность обнаружения первичного обзорного канала в секторе измерения по азимуту первичного посадочного канала - не менее 17 км.

На дальностях от 2 км до 14 км СКО измерения координат ВС по выходу аппаратуры обработки, не более:

• по дальности – 15 м;
  
• по отклонениям ВС от линии курса – 15 угл. мин.;
  
• по отклонениям ВС от линии глиссады для углов места более 1,5º – 9 угл. мин.
  

Разрешающая способность по дальности - не хуже – 150 м.

Должно обеспечиваться одновременное сопровождение не менее трех ВС.

ТТХ вторичного радиолокационного канала

Максимальная дальность действия вторичного канала ЕС ГРЛО при углах закрытия не более 0,5 град., вероятности правильного обнаружения 0,9 и вероятности ложной тревоги по собственным шумам приемника не более 10^-6 в интервале высот полета ВС от 1000 м до 6000 м - не менее 60 км.

СКО измерений на выходе аппаратуры обработки вторичного канала ЕС ГРЛО (без учета ошибок бортового приемоответчика) - не более:

• по азимуту – 0,4º;
  
• по дальности – 50 м.
  

Разрешающая способность вторичного канала ЕС ГРЛО - не более:

• по азимуту – 12º;
  
• по дальности – 200 м.
  

Максимальная дальность действия вторичного канала RBS при углах закрытия не более 0,5 град., вероятности правильного обнаружения 0,9 и вероятности ложной тревоги по собственным шумам приемника не более 10^-6 в интервале высот полета ВС от 1000 м до 6000 м - не менее 60 км.

СКО измерений на выходе аппаратуры обработки вторичного канала RBS (без учета ошибок бортового приемоответчика) - не более:

• по азимуту – 0,7º
  
• по дальности – 50 м.
  

Разрешающая способность вторичного канала RBS - не более:

• по азимуту – 19º
  
• по дальности – 200 м
  

Количество одновременно сопровождаемых ВС - не менее 20.

Описание аппаратно-программного стенда для моделирования пилотируемого полета самолетов

Аппаратно-программный стенд для моделирования пилотируемого полета самолетов [3, 4] в целях отработки систем управления и тестирования алгоритмов и про-грамм анализа полетных данных [5, 6, 7]. Стенд концептуально отличается от распространенных в настоящее время пилотажных моделирующих стендов [8], которые, как правило, предназначены для отработки авиационного оборудования или для обучения летного состава (тренажеры). Предлагаемый стенд является исследовательским и пред-назначен для исследования характеристик деятельности пилота при выполнении сложных полетных режимов, включающей как сенсомоторную составляющую по вы-работке управляющих воздействий, так и составляющую, связанную с принятием решений [9-12], в том числе, при возникновении нештатных и критических ситуаций. Главная особенность стенда заключается в относительной простоте интерфейса в сочетании с полнотой моделирования динамики ЛА. Такая постановка задач позволяет ограничиться относительно простым программным обеспечением, которое разрабатывается самими исследователями. При этом важнейшее преимущество состоит в том, что используемые программы полностью контролируются исследователями и могут оперативно изменяться в зависимости от решаемой задачи.

В состав стенда входят:

• имитаторы РУС, РУД, педалей;
  
• математические модели движения ЛА, аэродинамические характеристики ЛА, модели двигателя и комплексной системы управления (КСУ);
  
• модель стандартной атмосферы, модель постоянного ветра и порывов ветра, произвольной формы, заданных в виде функции времени;
  
• визуализация приборной панели и схематичной закабинной обстановки;
  
• блок регистрации с заданной частотой основных параметров полета в файл.
  

Головная программа, реализующая алгоритмы стенда, написана на языке C++ (компилятор GNU GCC Compiler). Для обмена с внешними устройствами (имитаторы РУС, РУД, педалей) и для визуализации приборной панели и закабинной обстановки используется среда разработки Blitz3D.

Модульная архитектура программного обеспечения стенда позволяет создавать на его базе расширения. Отсутствие значительных требований к программному и аппаратному обеспечению стенда позволяет разворачивать комплекс на любой современной ПЭВМ.

Программное обеспечение совместимо с ПЭВМ под управлением операционной системы Windows. Несмотря на то, что данная ОС не может работать в режиме реального времени, специальные приемы, использованные в программном обеспечении стенда, позволили обеспечить высокую точность стабилизации шага интегрирования и синхронизации всех сигналов [4].

Стенд позволяет использовать различные методы визуализации на ответственных режимах полета, таких как взлет, посадка, наведение авиационного оружия. В составе стенда присутствуют различные методы индикации полётной информации (схема; пилотажные приборы; индикация, совмещённая с обстановкой).

Эксперименты

Производилось моделирование посадки по приборам (рис. 2) летательного аппарата (типа МиГ-АТ) [3]. Главным источником информации о положении самолета являлись курсо-глиссадные планки, расположенные на ПНП (прибор навигационный плановый). Закабинная обстановка оператору не индицировалась.


В сигналы отклонений курсо-глиссадных планок вводилась конечная частота обновления информации, связанная с особенностью работы высокомобильного обзорно-посадочного радиолокационного комплекса РЛК-ВМ.

Погрешности измерений изначально моделировались в виде последовательности независимых нормально распределенных случайных величин с нулевым математическим ожиданием и среднеквадратическими отклонениями (СКО), приведенными в таблице 1. Результаты экспериментов представлены в [2].

Принято допущение, что применение предполагаемой системы фильтрации помех позволяет понизить СКО шума до уровня 0,75 от изначального. В настоящей статье (в отличие от [2]) рассмотрены результаты моделирования именно с такими характеристиками.

Выполнены шесть серий экспериментов по десять реализаций:

• без шумов без дополнительной дискретизации;
  
• с шумами без дополнительной дискретизации;
  
• без шумов с дискретизацией 2 с;
  
• без шумов с дискретизацией 1,75 с;
  
• с шумами с дискретизацией 2 с;
  
• с шумами с дискретизацией 1,75 с.
  

Наименование параметра	Посадочный первичный радиолокационный канал
СКО измерения: - дальности, м - азимута, мин - угла места, мин	15 15 9
Темп обзора, с	2

Для каждой группы экспериментов оценивалась дисперсия ошибки позиционирования на глиссаде по двум координатам раздельно для удалений от торца ВПП, соответствующих высотам по категориям посадки CAT I, CAT II, CAT IIIA: 60 м.; 30 м.; 15 м. Полученные для разных серий результаты сравнивались путем проверки гипотезы о равенстве дисперсии по критерию Фишера при уровне значимости 0.05. Факт принятия гипотезы о равенстве истинных значений дисперсий разных групп реализаций, позволяет сделать вывод о том, что изменения в условиях экспериментов не оказывают существенного влияния на точность пилотирования для всех рассмотренных вариантов, а именно: появление двухсекундной дискретизации, уменьшение дискретизации с двух секунд до 1,75 секунд, присутствие или отсутствие шумов.

Заключение

При пилотировании ЛА без учёта погрешностей, вызванных частотой обновления информации и шумами измерений, оператор уверенно выполнял заход на посадку по глиссаде с допустимыми промахами, опираясь на показания курсо-глиссадных планок. Значения величины промаха на заданных удалениях от торца ВПП соответствовали нормальной посадке. В экспериментах с учётом вышеперечисленных погрешностей измерений, оператор испытывал дискомфорт, вызванный противоречивыми показаниями планок вследствие их хаотичного движения, что приводило к переключению его внимания на другие источники полётной информации (высотомер, вариометр, дальность) и существенному ухудшению качества посадки. Тем не менее, несмотря на повышенный уровень психоэмоционального напряжения оператора, значения величины промаха на заданных удалениях от торца ВПП не превышали допустимые значения нормальной посадки. Последнему способствовали: снижение уровня помех вследствие использования системы фильтрации и наличие у оператора специфического навыка захода на посадку в указанных условиях.

Таким образом, шумы с характеристиками, указанными в таблице 1 с учетом применения фильтрации, являются допустимыми и делают показания курсо-глиссадных планок приемлемыми для пилотирования.

Работа выполнена при поддержке РФФИ, проект 15-08-06767-а.

Список литературы

• Пасюк В.П., Столяров Г.В. Многопозиционные системы посадки летательных аппаратов // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция Навигация, наведение и управление летательными аппаратами. Тезисы докладов. М.: ООО «Научтехлитиздат». 2015. С. 171-172.
  
• Корсун О.Н., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М., Столяров Г.В. Оценка влияния частоты обновления информации на качество захода на посадку // Материалы XIII Всероссийской научно-технической конференции «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского / Сборник докладов. – М: Издательский дом Академии имени Н.Е. Жуковского. 2016. С. 169-175.
  
• Корсун О.Н., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Исследовательский полунатурный стенд для анализа задач пилотирования и алгоритмов обработки полетных данных // Седьмой международный аэрокосмический конгресс IAC’2012. Сб. научн. тр. М.: 2013. 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) рег. № 0321303652/03.06.2013.
  
• Корсун О. Н., Набатчиков А. М., Бурлак Е. А. Синхронизация информационных потоков при полунатурном моделировании движения летательных аппаратов // Электронный научно-технический журнал "Инженерный вестник". 2013. №10. С. 1-16. Режим доступа: http://engbul.bmstu.ru/doc/628235.html (дата обращения 09.01.2014)
  
• Корсун О.Н., Семенов А.В. Методика оценивания боковых отклонений при заходе на посадку гидросамолета А-40 «Альбатрос» по результатам летного эксперимента и моделирования //Проблемы безопасности полетов. 2005. №7. С. 14-23.
  
• Корсун О.Н., Семенов А.В. Оценка пилотажных характеристик самолетов по результатам летного эксперимента, идентификации и моделирования// Вестник компьютерных и информационных технологий. 2007. № 7. С.2-7.
  
• Корсун О.Н., Тихонов В.Н. Определение пилотажных характеристик на основе моделирования экспертных оценок в системе «летчик-самолет» // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2008.Т.6. № 2. С. 45-50.
  
• Себряков Г.Г., Татарников И.Б., Тюфлин Ю.С. Принципы построения универсальных систем визуализации комплексов моделирования для задач обучения, ситуационного анализа и тренажа // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2006. № 3. С. 44.
  
• Себряков Г.Г., Корсун О.Н., Красильщиков М.Н., Евдокименков В.Н., Ким Р.В., Бурлак Е.А., Набатчиков А.М. Экспериментальные исследования по созданию индивидуально-адаптированной модели интеллектуальной поддержки лётчика на аппаратно-программном пилотажном стенде // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция Навигация, наведение и управление летательными аппаратами. Тезисы докладов. М.: ООО "Научтехлитиздат". 2015. С. 300-303.
  
• Евдокименков В.Н., Корсун О.Н., Ким Р.В., Якименко В.А., Набатчиков А.М., Бурлак Е.А. Индивидуально-адаптированная модель управляющих действий на основе нейронной сети // Вторая Всероссийская научно-техническая конференция Навигация, наведение и управление летательными аппаратами. Тезисы докладов. М.: ООО "Научтехлитиздат". 2015. С. 156-158.
  
• Евдокименков В.Н., Ким Р.В., Красильщиков М.Н., Себряков Г.Г. Использование нейросетевой модели управляющих действий летчика в интересах его индивидуально-адаптированной поддержки // Известия Российской академии наук. Теория и системы управления. 2015. № 4. С. 111-123.
  
• Себряков Г.Г. Проблемы проектирования полуавтоматических систем наведения летательных аппаратов // Вестник компьютерных и информационных технологий. 2007. № 10. С. 2-7.