Одной из главных задач, решаемых в гражданской авиации, является повышение экономичности и регулярности воздушного движения при обеспечении заданного уровня безопасности. За последние годы в нашей стране большое внимание уделяется экономии энергетических ресурсов, в том числе авиационного топлива. Одним из действенных методов, позволяющих снизить расходы авиационного топлива, является сокращение интервалов вертикального эшелонирования. Увеличение общего количества возможных эшелонов в диапазоне крейсерских высот позволит выполнять полеты на эшелонах более близких к оптимальным с точки зрения расходов авиатоплива, повысить пропускную способность воздушных трасс, а, следовательно, и регулярность авиаперевозок. Более эффективное использование воздушного пространства позволит увеличить коммерческую загрузку воздушных судов (ВС) за счет уменьшения количества заправляемого топлива.
Анализ использования воздушного пространства показал, что наиболее загруженными являются эшелоны полета (ЭП) 290 — 410 на высотах от 8100 до 12 300 м, так как на них обеспечивается наиболее экономичный расход топлива.
В соответствии с нормативными документами международной организации гражданской авиации (ИКАО) вертикальное эшелонирование должно осуществляться по показаниям измерителей высоты, использующих барометрический метод.
Применяемый в России в верхнем воздушном пространстве минимум вертикального эшелонирования (VSM) 500 м, а в зарубежных государствах до недавнего времени — 2000 фут (600 м) были приняты в 1960 году на основе технических возможностей ВС и барометрических высотомеров (БВ) того времени [1]. В настоящее время в России и за рубежом разработаны и выпускаются измерители барометрической высоты с существенно улучшенными техническими характеристиками.
Эти обстоятельства обусловили настоятельную необходимость более эффективного использования воздушного пространства путем сокращения норм вертикального эшелонирования выше ЭП 290.
В Постановлении Межведомственной комиссии по использованию воздушного пространства Российской Федерации от 16 сентября 1999 года было принято решение о проведении работ по обеспечению внедрения с ноября 2004 г. сокращенных норм вертикального эшелонирования на высотах выше 8100 м — через 300 м [2].
Необходимым условием введения сокращенных норм вертикального эшелонирования является поддержание или повышение существующего уровня безопасности полетов.
Поэтому контроль выдерживания высоты полета ВС — это неотъемлемая часть данной программы.
В настоящее время контроль эшелонирования ВС на маршрутах воздушных трасс и вне трасс, а также в отведенных зонах района аэродрома осуществляется при помощи системы вторичной радиолокации (ВРЛ), когда значение барометрической высоты, измеренное на борту ВС, передается на наземный радиолокатор. Использование этой системы позволяет выявить погрешности, обусловленные техникой пилотирования (FTE), но не дает возможности проконтролировать погрешности системы измерения высоты (ASE) и суммарную ошибку по высоте (TVE), равную разности фактической барометрической высоты, на которой находится ВС, и заданной барометрической высоты, соответствующей ЭП, подлежащие обязательной проверке при введении и использовании сокращенных норм вертикального эшелонирования.
Рекомендуемый ИКАО метод измерения TVE заключается в сравнении геометрической высоты полета ВС, измеренной с помощью наземной системы контроля высоты полета (НСКВП), с геометрической высотой заданного ЭП, рассчитанной на основе метеорологических данных. При этом совместное среднее квадратичное отклонение погрешности измерения геометрических высот полета ВС и геометрических высот ЭП не должно превышать 15 м [1].
Опыт внедрения сокращенных норм вертикального эшелонирования в Европе показал целесообразность использования в качестве НСКВП многопозиционной радиолокационной системы (МПРЛС), работающей с сигналами бортового ответчика (БО) системы BPJI. В документах ИКАО и Евроконтроля принято название такой системы — HMUHigh Measuring Unit.
Одна из главных причин, препятствующих введению сокращенных норм вертикального эшелонирования в России — отсутствие НСКВП, отвечающей требованиям ИКАОопределяет практическую значимость исследования путей создания этой системы, включая разработку методов и алгоритмов высокоточного определения координат и высоты полета ВС.
Невозможность измерения геометрической высоты полета ВС эксплуатируемыми в настоящее время в России средствами наблюдения за воздушной обстановкой — однопо-зиционными двухкоординатными радиолокационными станциями (PJIC), а также недостаточная точность существующих датчиков, применяемых в таких системах придают особую важность исследованиям, нацеленным на создание НСКВП на базе МПРЛС, использующей сигналы системы ВРЛ на уровне первичной обработки информации (ПОИ), что позволяет улучшить качество функционирования самих измерителей.
Таким образом, объектом исследования в диссертационной работе является контроль высоты полета ВС при управлении воздушным движением, а предметом исследований — методы контроля высоты полета ВС при управлении воздушным движением (УВД) в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, основанные на многопозиционной обработке радиосигналов системы BPJI на уровне ПОИ.
Вопросы обработки сигналов системы BPJI рассматривались в работах [3, 4]. Исследованию МПРЛС, в том числе статистическому синтезу и анализу методов и алгоритмов обработки информации, посвящен ряд работ [5, 6, 7].
Однако, исследование процессов определения координат и высоты полета ВС псевдодальномерным методом в НСКВП и разработка субоптимальных алгоритмов многопозиционной обработки радиосигналов БО системы BPJI на уровне ПОИ до настоящего времени еще не проводились.
Таким образом, задача разработки методов контроля высоты полета ВС, обусловленная важностью и нерешенностью проблемы контроля показателей безопасности полетов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования в России, и отсутствием комплексных исследований алгоритмических аспектов создания НСКВП, а именно этим проблемам посвящена диссертационная работа, является актуальной научной и прикладной задачей, имеющей важное хозяйственное значение.
Целью диссертационной работы является разработка методов контроля высоты полета ВС, обеспечивающих соблюдение заданного уровня безопасности полетов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования.
Поставленная цель достигается путем решения следующих основных задач:
— анализа требований ИКАО, предъявляемых к системам контроля выдерживания высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;
— обоснования принципа построения и состава НСКВП;
— синтеза субоптимальных алгоритмов, позволяющих определять координаты и высоту полета ВС в соответствии с требованиями ИКАО по точности;
— разработки статистической имитационной модели НСКВП для количественной оценки характеристик качества её функционирования;
— расчета потенциальных и фактически достижимых характеристик точности НСКВП.
Методы исследований. При решении перечисленных задач применялись методы марковской теории оценивания случайных процессов [8, 9]. Также были использованы положения теории вероятностей и случайных процессов, теории сложных сигналов, методы математической статистики и математического моделирования.
Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые:
— разработаны методы контроля высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, основанные на использовании многопозиционной обработки радиосигналов системы BPJI на уровне первичной обработки информации;
— предложена НСКВП для определения пространственных координат ВС при независимом контроле средств вертикального эшелонирования, использующая корреляционную обработку сигналов системы BPJI;
— разработана статистическая имитационная модель НСКВП, позволяющая производить количественную оценку её потенциальных и фактически достижимых характеристик точности.
Практическая значимость работы состоит в том, что:
— полученные результаты могут быть использованы при создании НСКВП, необходимой при реализации программы по сокращению норм вертикального эшелонирования в России, а также трехкоординатной МПРЛС для УВД;
— разработанные методы позволяют оценивать характеристики средств вертикального эшелонирования и бортового ответчика системы BPJI;
— методика исследования потенциальных и фактически достижимых характеристик качества функционирования НСКВП может быть использована при обосновании тактико-технических требований к МПРЛС для УВД.
Работа состоит из введения, трех разделов, заключения и библиографического списка использованной литературы.
Первый раздел посвящен вопросам контроля выдерживания высоты полета ВС при внедрении сокращенных норм вертикального эшелонирования. Рассмотрены технические требования к характеристикам выдерживания высоты полетапроведен анализ составляющих погрешностей, а также возможностей современных барометрических высотомеровопределены роль и место контроля высоты полета ВС в УВДпредставлены технические требования, предъявляемые к НСКВП.
Во втором разделе рассматриваются вопросы применения многопозиционных систем наблюдения для УВДобосновывается многопозиционный принцип построения НСКВП с использованием сигналов системы ВРЛ и псевдодальномерного метода определения координат и высоты полета ВСдля обеспечения точности НСКВП, соответствующей требованиям ИКАО выполняется синтез субоптимальных алгоритмов определения координат и высоты полета ВС на уровне первичной обработки информации, в соответствии с которыми разрабатывается структурная схема многопозиционной системы приема сигналов и обработки информации в НСКВП.
Третий раздел посвящен оценке качества функционирования методов контроля высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования. С этой целью разрабатывается статистическая имитационная модель НСКВП, при помощи которой рассчитываются её потенциальные и фактически достижимые характеристики точности.
На защиту выносятся следующие научные положения и результаты:
— методы контроля высоты полета ВС при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;
— структурная схема НСКВП, позволяющей определять пространственные координаты ВС с точностью, отвечающей требованиям ИКАО;
— статистическая имитационная модель НСКВП для оценки качества её функционирования;
— характеристики точности НСКВП.
Выводы по разделу 3.
1. На основе статистического моделирования сигналов на выходах дискриминаторов разработана имитационная модель наземной системы контроля высоты полета воздушного судна, позволяющая производить количественную оценку фактически достижимых характеристик точности. Такой подход дает возможность избежать сложности статистического моделирования алгоритмов на несущей частоте радиосигналов и не приводит к слишком большим упрощениям.
2. Анализ потенциальных и фактически достижимых характеристик качества функционирования показал, что разработанная наземная система контроля высоты полета отвечает предъявляемым требованиям, которые выражаются в допустимой погрешности измерения пространственных координат воздушного судна. Так, точность определения высоты (среднее квадратичное отклонение) в установившемся режиме составляет примерно 1 метр, а планарных координат — около 2 метров при полете воздушного судна на высотах от 8100 до 12 300 м. Требование несмещенности оценки выполняется.
3. Установлено, что измерение высоты с наименьшей погрешностью осуществляется при пролете воздушного судна над центральной позицией системы.
4. Даны рекомендации по практическому применению наземной системы контроля высоты полета воздушного судна и дальнейшему совершенствованию синтезированных субоптимальных алгоритмов.
Заключение
.
В диссертационной работе на основе проведенного анализа.
— требований, предъявляемых к бортовому оборудованию и системам контроля выдерживания высоты полета воздушных судов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;
— опыта применения многопозиционных радиолокационных систем при УВД;
— существующих алгоритмов высокоточного определения местоположения воздушных судов с использованием различных многопозиционных систем, включая спутниковые радионавигационные системыа также путем.
— обоснования и выбора принципа построения наземной системы контроля высоты полета, отвечающей требованиям, установленным документами гражданской авиации,.
— синтеза субоптимальных алгоритмов, позволяющих определять координаты и высоту полета воздушных судов в соответствии с требованиями ИКАО по точности,.
— разработки статистической имитационной модели наземной системы контроля высоты полета для количественной оценки характеристик качества её функционирования,.
— расчета потенциальных и фактически достижимых характеристик точности наземной системы контроля высоты полета разработаны и исследованы методы контроля высоты полета воздушных судов, обеспечивающие соблюдение заданного уровня безопасности полетов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, что соответствует поставленной цели диссертационной работы.
В ходе выполнения работы были получены следующие новые научные результаты:
— разработаны методы контроля высоты полета воздушных судов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования, основанные на использовании многопозиционной обработки радиосигналов системы BPJI на уровне первичной обработки информации;
— предложена наземная система контроля высоты полета для определения пространственных координат воздушных судов при независимом контроле средств вертикального эшелонирования, использующая корреляционную обработку сигналов системы BPJI;
— разработана статистическая имитационная модель наземной системы контроля высоты полета, позволяющая производить количественную оценку её потенциальных и фактически достижимых характеристик точности.
Полученные результаты позволяют:
— проводить контроль высоты полета воздушных судов при УВД в условиях сокращенных норм вертикального эшелонирования;
— осуществлять практическую разработку наземной системы контроля высоты полета, необходимой при реализации программы по сокращению норм вертикального эшелонирования в России, а также трехкоординатной многопозиционной радиолокационной системы для УВД;
— оценивать характеристики средств вертикального эшелонирования и бортовых ответчиков системы BPJI;
— обосновывать тактико-технические требования к многопозиционным системам наблюдения для УВД.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы использованы ОАО «НПО «ЛЭМЗ» в ОКР «Рейс-2000», Управлением заказов и поставок авиационной техники и вооружения в ТТЗ на ОКР по созданию подсистем наблюдения за воздушной обстановкой и управления воздушным движением, ВА ВКО им. Г. К. Жукова в учебном процессе, а также в/ч 18 353 при выполнении НИР «Дециан-08».
Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXXIV военно-научной конференции во 2 ЦНИИ МО РФ (Тверь, 2008 г.), НТС в 24 НЭИУ МО РФ и межкафедральных семинарах в МГТУ ГА.
