Введение к работе
Актуальность: Обеспечение безопасности, регулярности и эффективности полетов авиации зависит от многих факторов, обусловленных внешней средой, среди которых значительную роль играет прозрачность атмосферы, характеризуемая как видимость.
Вопросам видимости в атмосфере применительно к задачам авиации посвящены работы С.Л. Белогородского, П.Д. Астапенко, А.А. Васильева, В.А. Гаврилова, С.А. Богаткина, И.В. Кошеленко, М.Я. Рацимора, Е.И. Гоголевой, Г.И. Мазурова, Л.Т. Матвеева, В.А. Ковалева, а также зарубежных ученых: Дж. Джонсона, А.В. Паффета, Дж. Ходкинса, О. Фреминга и другие.
При метеорологическом обеспечении авиации в настоящее время используются три характеристики видимости: метеорологическая дальность видимости (МДВ), метеорологическая оптическая дальность видимости (МОДВ) и дальность видимости на взлетно-посадочной полосе (видимость на ВПП, RVR). При чем все они определяются у поверхности земли.
В месте с тем лётный и диспетчерский состав должны представлять условия видимости наземных объектов с высоты полёта, определяемые наклонной дальностью видимости (НДВ).
В сложных метеорологических условиях (СМУ) НДВ должна обеспечивать экипажи воздушного судна (ВС) и руководство полётами информацией о высоте, на которой следует ожидать установление визуального контакта на глиссаде снижения с ориентирами на земной поверхности (ВПП). При визуальных полетах под низкими облаками - оценивать возможность опознавания наземных объектов, ориентиров для определения пространственного положения ВС.
Несмотря на усилия по разработке средств измерения НДВ у нас в стране и зарубежном, до настоящего времени отсутствует аппаратура позволяющая проводить оперативные измерения НДВ.
Проводимые ранее исследования позволили разработать методические, теоретические и практические подходы в определение посадочной видимости (частный случай НДВ) и возможной высоты визуального контакта (ВВК) в адвективном тумане и при низкой облачности. Они определяются по данным инструментальных измерений МДВ, ВНГО (ВВ) – как консультативные параметры о состояние условий видимости наземных ориентиров на этапе снижения ВС.
Однако до настоящего времени практически отсутствуют методики оценки соответствия метеорологических условий эксплуатационным минимумам на посадку и визуальных полётов под низкими облаками. На глиссаде снижения эти минимумы определяются не значениями ВНГО и МДВ, а посадочной видимостью, высотой принятия решения (ВПР) или минимальной высотой снижения (МВС), при визуальных полётах под низкими облаками наклонной полётной дальностью видимости.
В соответствии с рекомендациями Международной организации гражданской авиации (ИКАО) при посадке в сложных метеорологических условиях (СМУ) визуальная оценка пространственного положения ВС на глиссаде снижения должна производиться по наклонной дальности видимости (НДВ) для определенных («фиксированных») высот– конкретной высоты принятия решения (ВПР) или минимальной высоте снижения (МВС), а при полетах по правилам визуальных полетов (ПВП) и особым правилам визуальных полетов (ОПВП) - для конкретной высоты полета.
Таким образом, возникает проблема определения и прогноза НДВ удовлетворяющая летный и диспетчерский состав в интересах обеспечения безопасности, регулярности и эффективности полётов.
Решение проблемы требует разработки и обоснования новых подходов, основанных на статистических зависимостях между НДВ, МДВ, ВНГО (ВВ) и другими метеорологическими параметрами с учетом условий воздушной навигации.
Одним из основных направлений решения проблемы определения видимости в негоризонтальном направлении является установление совокупности оперативных параметров НДВ для различных этапов выполнения полета:
-наклонной полетной дальности видимости (НПДВ) - при полетах по ПВП и ОПВП;
-посадочной видимости, высоты визуального контакта (ВВК), высоты обнаружения ВПП (ВО ВПП) и динамики видимости - при заходе на посадку.
Оперативные параметры НДВ соответствуют рекомендациям ИКАО и позволяют учитывать метеорологические, физико-географические, светотехнические, навигационные, психофизические факторы и летно-технические данные ВС.
Цель работы: разработка теоретических и методологических основ синоптико-статистических методов диагноза и прогноза оперативных параметров НДВ в пограничном слое атмосферы по данным инструментальных измерений метеорологических величин с учетом их пространственно-временной изменчивости при типовых синоптических ситуациях, рельефа местности, характера подстилающей поверхности.
Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:
-
Обобщение современного состояния учения о видимости в атмосфере применительно к обеспечению авиации.
-
Исследование особенностей воздушной навигации и визуальной ориентировки при заходе на посадку и полетах по ПВП и ОПВП в СМУ.
-
Определение и обоснование оперативных параметров НДВ на различных этапах полёта ВС в СМУ необходимых для лётного и диспетчерского состава.
-
Исследование влияния на НДВ рельефа местности, характера подстилающей поверхности, метеорологических величин, условий навигации, летно-технических данных ВС, характеристик светотехнических систем и психофизических факторов.
-
Исследование пространственно-временных характеристик изменчивости метеорологических величин и распределения горизонтальной видимости с высотой в типовых синоптических ситуациях.
-
Разработка методики определения диаграмм видимости огней светотехнических систем при различных типах распределения горизонтальной видимости с высотой и оценка ее достоверности.
-
Разработка методики определения и сверхкраткосрочного прогноза оперативных параметров НДВ при минимумах и в визуальных метеорологических условиях.
Объектом исследования является НДВ в пограничном слое атмосферы применительно к задачам метеорологического обеспечения авиации в СМУ.
Предмет исследования - оперативные параметры НДВ в СМУ в различные сезоны года и время суток.
Методы исследования. При проведении исследования использовались методы математической статистики, теории вероятностей, численного моделирования, летный эксперимент на аэродромах ВВС и ГА.
Научная новизна заключается в разработанном новом научном подходе к определению НДВ на различных этапах полета, совершенствованию теоретических, методологических положений по определению и прогнозу НДВ для обеспечения безопасности и эффективности полетов авиации в сложных метеорологических условиях, включающем:
-
Анализ пространственно-временных характеристик сложных метеорологических условий и явлений погоды в типовых синоптических ситуациях в зависимости от сезона года и времени суток.
-
Обоснование оперативных параметров НДВ, обеспечивающих технологию самолетовождения при минимумах и в визуальных метеорологических условиях.
-
Особенности вертикального распределения горизонтальной видимости с высотой, пространственно-временной изменчивости распределения МДВ и ВНГО (ВВ) за короткие промежутки времени по данным инструментальных измерений в типовых синоптических ситуациях.
-
Исследования влияния характера рельефа местности подстилающей поверхности, в типовых синоптических ситуациях на пространственно-временную изменчивость МДВ и ВНГО (ВВ).
-
Исследования влияния навигационной обстановки на оперативные параметры НДВ.
-
Разработанную методику определения сверхкраткосрочного прогноза оперативных параметров НДВ самосветящихся ориентиров при минимумах по диаграммам видимости огней светотехнических систем.
-
Предложенную физико-статистическую модель определения и сверхкраткосрочного прогноза НДВ не самосветящихся объектов, ориентиров при визуальных полетах под низкими облаками.
Достоверность результатов достигается корректной постановкой решаемых задач метеорологического обеспечения безопасности полетов в СМУ, использованием апробированного математического аппарата применяемого для решения аналогичных задач, согласованием результатов расчетов с результатами летных и натурных экспериментов, выполненных на аэродромах ГА и ВВС в различных физико-географических условиях, сезонах года, времени суток.
Личный вклад автора. Личный вклад автора заключается в разработке физико-статистической модели диагноза и прогноза оперативных параметров НДВ, организации летного эксперимента по сбору исходных данных, апробации результатов исследований и экспертного опроса летного состава на аэродромах ГА, ВВС и ПВО.
Работа является обобщением и дальнейшим развитием исследований выполненных автором на протяжении 20 лет.
Апробация работы. Основные положения, научные и экспериментальные результаты работы докладывались и обсуждались на всесоюзных и республиканских конференциях, семинарах, в том числе: III Всесоюзной конференции по авиационной метеорологии (Суздаль, 1990 г.), II и III Научно-технической конференции «Проблемы повышения эффективности метеорологического, аэродромно-технического и инженерно-аэродромного обеспечения авиации Вооруженных Сил» (Воронеж, 1989, 1992 г.), Всероссийской научной конференции «Современные методы подготовки специалистов и совершенствование систем и средств наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 1997 г.), научно-практических семинарах, Научно-экспериментального центра автоматизации управления воздушным движением научного совета по проблемам управления движения и навигации АН СССР (Москва, 1991, 1992, 1993 г.), совещаниях-семинарах по безопасности полетов в Центре боевой подготовки фронтовой авиации (Липецк, 1985, 1986, 1987, 1988, 1989, 1990 г.), в Центральной инспекции безопасности полетов авиации Вооруженных сил СССР (Москва, 1990 г.), в 7 Главном авиационном метеорологическом центре Министерства Обороны СССР (Москва, 1992, 1993 г.), в метеослужбе ВВС Ленинградского Военного округа (Ленинград, 1991 г.), в метеослужбе Белорусского Военного округа (Минск, 1990 г.), на Военной кафедре ЛГМИ (Ленинград, 1990 г.), в отделе авиационной метеорологии Гидрометцентра СССР (Москва, 1990, 1991, 1992, 1993 г.), Всероссийской научной конференции «Климат, мониторинг окружающей среды, гидрометеорологическое прогнозирование и обслуживание» (Казань, 2000 г.), Всероссийской научной конференции «Совершенствование наземного обеспечения авиации» (Воронеж, 1999 - 2006 г.г.), 23 Научной технической конференции молодых научных сотрудников «Поддержание боевой готовности вооружений и военной техники в условиях реформирования Вооруженных Сил Российской Федерации», Научно-технической конференции «Проблемы и перспективы гидрометеорологических прогнозов» (Москва, 2000 г.)(XIII Всероссийская научно-техническая конференция «Иркутск 2003»), Международной научно-технической конференции «Кибернетика и технологии XXI века» (Воронеж, 2005, 2006 г.г.), Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005г.).
Результаты исследования опубликованы в 51 статье (из них 4 в журналах рекомендованных ВАК). 1 монографии (издание, рекомендованное ВАК), 3 учебных пособиях, 12 научных отчетах по НИР, утвержденных ГК ВВС, в которых автор был научным руководителем и ответственным исполнителем. Под научным руководством автора по теме исследования выполнено и защищено 3 кандидатские диссертации.
Предметом защиты является разработка нового научного подхода к определению оперативных параметров НДВ и их сверхкраткосрочного прогноза в пограничном слое атмосферы в СМУ.
На защиту выносятся:
-
Научный подход по развитию и совершенствованию теоретических и методологических положений изучения НДВ в сложных метеорологических условиях.
-
Обоснование оперативных параметров НДВ при минимумах и полетах в визуальных метеорологических условиях.
-
Результаты исследования пространственно- временных характеристик сложных метеорологических условий.
-
Выявленные закономерности пространственно-временной изменчивости горизонтальной дальности видимости и высоты нижней границы облаков (вертикальной видимости) в явлениях погоды и распределения горизонтальной видимости с высотой в типовых синоптических ситуациях.
-
Установленные закономерности влияния рельефа местности и характера подстилающей поверхности на ВНГО (ВВ), МДВ и условий воздушной навигации НДВ.
-
Методика расчета оперативных параметров НДВ самосветящихся объектов по диаграммам видимости огней ненаправленного действия при минимумах.
-
Физико-статистическая модель определения и прогноза оперативных параметров НДВ.
Научная и практическая значимость заключается в разработке новых теоретических и методологических основ определения и прогноза оперативных параметров НДВ в пограничном слое атмосферы в сложных метеорологических условиях.
Разработанная физико-статистическая модель позволяет проводить количественную оценку и осуществлять прогноз оперативных параметров НДВ с учетом влияющих факторов.
Практическая ценность работы состоит в том, что результаты исследования позволяют оценивать соответствие метеорологических условий эксплуатационным минимумам при принятии решения летным и диспетчерским составом на посадку в СМУ и выполнения визуальных полётов под низкой облачностью. Прогностические значения оперативных параметров НДВ (ВВК, ВО ВПП, посадочная видимость) при категорированных минимумах для сверхкраткосрочного прогноза на 3, 6, 9, 12, 15, мин., и минимумах (100 ВНГО (ВВ) 200м. и(или) 1000 МДВ 2000м.) на 15 и 30 мин. удовлетворяют требованиям ИКАО к желательной точности прогнозов на посадку (90%). Впервые полученные прогностические значения НПДВ под низкими слоистыми облаками с ВНГО менее 200м, на 60 минут 75%, на 120 минут 72%, 180 минут 68%; под слоисто-кучевыми с ВНГО от 200 до 400 м. 69, 65 и 61% соответственно.
Предлагаемая методика позволяет разрабатывать руководящие документы, направленные на совершенствование организации метеорологического обеспечения и безопастности полетов Государственной авиации в СМУ.
Структура диссертации. Содержание диссертации изложено в двух томах. Первый том объемом 306 с. введение , 7 глав (в том числе 43 рис., 98 табл.), заключение, литературу (230 наименований), а второй том -12 приложений объемом 192 с. (150 рис., 70 табл.).
Исследования проводились в соответствии со структурной схемой представленной на рисунке 1.
Рисунок 1 - Структурная схема диссертации
