Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ проблемы подготовки и переподготовки летного и инженерно-технического персонала с помощью электронных средств обучения 11
1.1. Анализ состояния и перспектив развития электронных средств обучения летного и инженерно-технического персонала гражданской авиации 11
1.2. Постановка задачи диссертационной работы 16
1.3. Принцип построения Электронного средства обучения Пилотажно-навига-ционного оборудования 16
1.4. Структура и задачи бортовой системы автоматического самолетовождения . 19
1.4.1. Задачи ПНО при обеспечении четырехмерной навигации 19
1.4.2. Информационные и управляющие поля системы «4-0 - ПНО - самолет» 23
1.5. Требования к имитационному программному обеспечению и его структура. 24
2. Разработка имитационных моделей динамики траекторного движения самолета 32
2.1. Анализ полной пространственной модели объекта в задаче самолетовождения и принимаемые допущения при ее редукции 32
2.2. Редуцированная имитационная модель движения самолета в траекторной системе координат 40
2.3. Редуцированная имитационная модель движения самолета в воздушно-траекторной системе координат 45
2.4. Имитационные модели для частных случаев траєкторного движения в замкнутом контуре автоматического самолетовождения 51
2.4.1. Имитационная модель движения ц.м. при тангажном САУ 53
2.4.2. Имитационная модель движения ц.м. при перегрузочном САУ 54
2.4.3. Модель движения ц.м. в горизонтальной плоскости с переменной скоростью 55
2.4.4. Модель движения ц.м. в горизонтальной плоскости с постоянной скоростью 55
2.4.5. Модель движения ц.м. в вертикальной плоскости 56
2.5. Редуцированная имитационная модель кинематики траєкторного движения самолета 56
2.6. Имитационная модель стандартной атмосферы 60
2.7. Имитационные модели расходовых характеристик двигателей 62
2.8. Имитационные модели тяговых характеристик двигателей 65
3. Разработка имитационных моделей информационных и управляющих систем пилотажно-навигационного оборудования 68
3.1. Структура моделей информационных систем 68
3.2. Имитационные модели информационных систем пилотажно-навигационно-го оборудования 73
3.2.1. Вектор измерения бесплатформенной инерциальной системы (модель БИНС) 73
3.2.2. Вектор измерения системы высотно-скоростных параметров (модель СВС) 75
3.2.3. Вектор измерения топливо-измерительной системы (модель ТИС) 77
3.3. Имитационные модели информационных систем радионавигационного обо рудования 77
3.3.1. Вектор измерения радиовысотомера (модель РВ) 77
3.3.2. Вектор измерения доплеровского измерителя скорости и угла сноса (модель ДИСС) 78
3.3.3. Вектор измерения радиосистемы дальней навигации (модель РСДН) 78
3.3.4. Вектор измерения радиотехнических систем ближней навигации (модели РСБН, VOR, DME) 79
3.3.4.1 Общий вид вектора измерения радиотехнической системы ближней навигации 79
3.3.4.2 Модификации векторов измерений радиосистем РСБН, VOR, DME 83
3.3.5. Вектор измерения системы спутниковой навигации (модель СНС) 87
3.4. Имитационные модели управляющих систем пилотажно-навигационного
оборудования 88
3.4.1. Имитационная модель САУ в режиме набора высоты 90
3.4.2. Имитационная модель САУ в режиме крейсерского полета 96
3.5. Виртуальные модели систем отображения информации и пультов управления 99
4. Разработка имитационного программного обеспечения электронного средства обучения 100
4.1. Реализация и тестирование имитационных моделей траєкторного движения самолета 102
4.1.1. Тестирование модели динамики и кинематики горизонтального движения в разомкнутом контуре 102
4.1.2. Тестирование модели кинематики движения в особых географических точках 103
4.1.3. Тестирование модели динамики и кинематики горизонтального движения в замкнутом контуре траєкторного управления 105
4.1.4. Тестирование модели стандартной атмосферы 108
4.1.5. Тестирование имитационной модели САУ в режиме набора высоты 108
4.1.6. Тестирование имитационной модели САУ в режиме крейсерского полета.. 112
4.2. Реализация и тестирование имитационных моделей информационных систем пилотажно-навигационного оборудования 116
4.2.1. Тестирование модели Бесплатформенной инерциальной системы (модели БИНС) 116
4.2.2. Тестирование модели Системы воздушных сигналов (модели СВС) 120
4.2.3. Тестирование моделей радиотехнических систем ближней навигации РСБН, VOR, DME 122
4.3. Реализация и тестирование режимов виртуального самолетовождения 125
4.3.1 Виртуальное автоматическое самолетовождение на маршруте 127
4.3.2. Виртуальные режимы скоростной и позиционной коррекций 131
4.3.3. Решение топливно-временной задачи в виртуальном полете 135
4.3.4. Виртуальные полеты в зонах ожидания, по радианам, предпосадочному маневру и второму кругу 135
4.4. Представление информации человеку-оператору в виртуальных полетах . 144
4.4.1. Работа оператора с ВСС в имитационном режиме 144
4.4.2. Индикационное обеспечение процесса самолетовождения в виртуальном и реальном полетах .,
4.5. Бортовое и наземное исполнение электронного средства обучения ПНО . 149
Заключение 157
Литература
- Анализ состояния и перспектив развития электронных средств обучения летного и инженерно-технического персонала гражданской авиации
- Анализ полной пространственной модели объекта в задаче самолетовождения и принимаемые допущения при ее редукции
- Имитационные модели информационных систем пилотажно-навигационно-го оборудования
- Реализация и тестирование имитационных моделей траєкторного движения самолета
Введение к работе
Безопасность полетов определяется большим числом разнообразных факторов. Наряду с другими составляющими в их число входят и такие, как [21], [51], [79], [131]:
состояние систем и оборудования воздушных судов;
квалификация, классность, уровень подготовки летного и инженерно-технического персонала, эксплуатирующего авиационную технику.
Очевидно, что для повышения уровня безопасности полетов необходимо обеспечить сбалансированный рост как эффективности (технического уровня) авиационной техники, так и подготовки летного и инженерно-технического персонала, эксплуатирующего эту технику. Подготовка и переподготовка летного и инженерно-технического персонала является одной из составляющих процесса обеспечения и поддержания летной годности самолета и его оборудования, в состав которого входит и Пилотажно-навигационное оборудование ПНО.
Мировая и отечественная практика показывает, что в вопросах повышения уровня подготовки авиационных специалистов огромную роль играют тренажеры. Однако полноразмерные тренажеры с натуральной подвижной кабиной самолета и реальным бортовым оборудованием очень дороги в изготовлении и при эксплуатации. Это делает их труднодоступными особенно для средних и мелких российских авиакомпаний, А именно, как показывает российская и мировая статистика, на долю последних приходится наибольший процент летных происшествий и катастроф. Кроме того, использование полноразмерного комплексного тренажера для получения квалификационных навыков при работе с отдельными бортовыми системами, тем более для инженерно-технического персонала, нецелесообразно.
В настоящее время в международной организации «Евроконтроль» развивается практика создания крупных тренажерных центров для централизованного обучения персонала различных авиакомпаний. В России такой практики не существует. Кроме того, не приходится ожидать появления в межъевропейских центрах тренажеров для авиалайнеров российского производства.
Проблемам создания полноразмерных тренажеров и их программно-математического обеспечения (ПМО) посвящено большое количество работ, в том числе работы таких ведущих ученых ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, как академика АН СССР А.А.Красовского и учеников его школы [60] - [62], а также проф. В.А. Боднера [10 ].
Однако в этих работах рассматриваются всевозможные аспекты разработки именно больших стендов-тренажеров и их программно-математического обеспечения. Экономическая сторона вопроса, в том числе в виде требований к допустимым потребляемым вычислительным ресурсам, и, следовательно, стоимости необходимой вычислительной техники, в этих работах не затрагивается.
С другой стороны, зарубежные и отечественные публикации свидетельствуют о все более активном использовании в учебных процессах компьютерных технологий, основанных в том числе на анимационных свойствах графических пакетов. Это положение относится и к учебным процессам повышения квалификации авиационного персонала. Методические и некоторые практические аспекты разработки электронных тренажеров рассмотрены в работах кафедры «Технической эксплуатации авиационных электросистем и ПНК» МГТУ ГА [69], [70], [73] - [75], [77], [78].
Взгляд на проблему создания электронных учебных средств с точки зрения производителя бортового оборудования освещает еще одну сторону данного вопроса. В настоящее время в мировой практике Электронные средства обучения (ЭСО) рассматриваются как неотъемлемая часть конкурентоспособной продукции. Интерактивное обучение с помощью компьютеров входит в программу эксплуатационной послепродажной поддержки выпускаемых фирмами изделий высоких технологий [19], [109]. К их числу относятся изделия авионики, в рассматриваемом здесь случае - ПНО.
В Технические задания на вновь разрабатываемую отечественную авиационную технику, в том числе ПНО, отдельными специальными пунктами включаются требования на сопровождающую документацию в электронном виде и на наличие учебно-тренировочных средств в виде пакета программ для ПЭВМ [123]. Некоторые российские и экс-российские самолетостроительные фирмы выставляют дополнительное требование -наличие в Вычислительной системе самолетовождения (ВСС), входящей в ПНО, встроенного бортового имитационного режима, предназначенного для осуществления функционального контроля алгоритмов и допускающего его использование в качестве встроенного тренажера.
Первое упоминание о бортовом режиме «Имитация» в виде нескольких строк относится к публикации [51]. Разрабатываемые в тот же период времени в «МИЭА» Навигационные комплексы обеспечивали аналогичный встроенный в БЦВМ имитационный режим. Краткие сведения о работе режима из [51], анализ его программной реализации в «МИЭА» и опыта его эксплуатации показывает, что имитационный алгоритм-прототип:
представлял собой единственную контрольную задачу, обеспечивал работу
лишь малой части алгоритмов НК в имитационном режиме и не мог рассматри
ваться в качестве встроенного тренажера;
программная реализация и способ включения не обеспечивали надежной за
щиты от его ложного срабатывания в реальном полете.
Развитие имитационного алгоритма до его современного состояния, рассматриваемого в работе, было выполнено автором в основном в девяностые годы. В настоящее время объединение этого направления работ в «МИЭА» с методическими и практическими подходами, развиваемыми в МГТУ ГА, позволяют говорить о создании на основе имитационных алгоритмов учебно-тренировочного пакета программ, названного Электронным средством обучения Пилотажно-навигационного оборудования ЭСО ПНО.
ЭСО, разрабатываемое фирмой-производителем ПНО, объединяющее в одном программном продукте электронную техническую документацию и встроенный тренажер, использующий имитационные виртуальные модели, предлагается включить в систему поддержания летной годности ПНО.
Таким образом, тема данной работы, целью которой является обеспечение безопасности полетов путем совершенствования систем подготовки и переподготовки летного и инженерно-технического персонала, является актуальной.
В работе получены следующие основные результаты:
Предложен принцип построения Электронного средства обучения (ЭСО), основанного на компьютерных технологиях, которое должно разрабатываться фирмой-производителем ПНО одновременно с разработкой самого ПНО, сопровождать это оборудование на всем протяжении его жизненного цикла и входить в систему поддержания летной годности данного оборудования.
Предложен состав ЭСО в виде статических и динамических разделов. Разработаны требования к функционированию и реализации динамических разделов в виде сочетания имитационного программного обеспечения (ПО) и основного бортового ПО ВСС. Рассмотрены два варианта реализации динамических разделов (встроенного тренажера): наземный и бортовой.
Разработаны:
структура имитационного ПО,
редуцированные модели ядра Имитационного ПО в виде модели динамики пространственного траєкторного движения самолета,
редуцированные модели управляющих систем пилотажного комплекса и измерительных навигационных систем с их ошибками.
Разработано имитационное алгоритмическое и программное обеспечение, встроенное в бортовые вычислители ряда ВСС.
Экспериментально, методами математического и полунатурного моделирования, показана достаточность разработанных моделей и программ для обеспечения адекватности восприятия человеком-оператором процессов самолетовождения в виртуальном и реальном полетах.
Оценка полученных экспериментальных данных позволяет считать возможным использование идентичного имитационного ПО для обоих вариантов исполнения встроенного тренажера (бортового и наземного), снижая таким образом затраты на его разработку.
Предложенный принцип построения ЭСО ПНО и разработанное имитационное ПО позволит обеспечить авиакомпании различного уровня (крупные, средние, мелкие), расположенные в различных географических регионах, экономически и организационно доступным учебном средством, сочетающим в едином программном продукте электронную документацию и встроенный тренажер.
Работа состоит из введения, четырех глав и заключения.
Первая глава посвящена анализу состояния и перспективам развития электронных средств обучения летного и инженерно-технического персонала гражданской авиации. Формулируется постановка задачи диссертационной работы. Рассматривается принцип построения ЭСО ПНО. Анализируются структура ПНО и задачи, решаемые бортовой системой автоматического самолетовождения. Формулируются требования к имитационному ПО, предлагается и обосновывается его структура.
Во второй главе излагаются основные положения методики преобразования моделей пространственного движения самолета и формулируются требования к свойствам этих моделей для целей имитационного моделирования в ЭСО. Приводятся разработанные редуцированные уравнения имитационных моделей для ряда ВСС, сопрягаемых с пилотажными комплексами (ПК) различных типов.
Третья глава посвящена имитационным моделям информационных и управляющих систем пилотажно-навигационного оборудования. Рассматриваются основные методиче-
ские положения, принятые при их формировании. Приводятся варианты редуцированных моделей, разработанных для нескольких ЭСО.
В четвертой главе приводятся методика и результаты тестирования разработанного имитационного программного обеспечения, интегрированного в общий программный комплекс с бортовыми программными модулями ВСС. Подтверждается выполнение созданным программным комплексом требуемых функций в различных режимах навигации и траєкторного управления. Показывается адекватность восприятия человеком-оператором процессов самолетовождения в реальном полете и в виртуальном полете при работе с разработанным имитационным обеспечением в режимах математического и полунатурного моделирования. Рассматриваются бортовая, в составе ВСС, и наземная (на ПЭВМ) реализации ЭСО ПНО. Приводятся сведения по вычислительным ресурсам, потребовавшимся для бортовой реализации имитационных алгоритмов в ПНО самолетов АН-70, АН-148, а также в автономной спутниковой системе СНС-3.
Материалы, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались:
на семинаре отдела 943 и секции НТС отделения 200 МИЭА в 1989-1990 г.;
на юбилейной научно-технической конференции ЛИИ им. М.М. Громова в 1991 г.;
на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на рубеже веков», посвященной 30-летию со дня основания МГТУ ГА, 2001 г.;
на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация но современном этапе развития науки, техники и общества» МГТУ ГА, 2003 г.;
на III международном симпозиуме «Аэрокосмические приборные технологии» АПТ'04, ГУАП, 2004г.;
на юбилейной Международной научно-практической конференции «Теория и практика имитационного моделирования и создания тренажеров», ПГУ г. Пенза, 2004 г.
Основные результаты работы опубликованы в 11 печатных работах (из них 2 в соавторстве [102], [128], и 9 единолично [87] - [95]), а также 10 рукописных работах - отчетах по НИР, выпущенных в ОАО «МИЭА» [26], [41] - [49].
На защиту диссертационной работы выносится:
1. Принцип построения Электронного средства обучения Пилотажно-навигационного оборудования.
Структура имитационной части ЭСО, идентичная для бортового и наземного исполнения.
Методика преобразований математических моделей объекта «ПНО -самолет — воздушная среда» для целей имитационного моделирования в ЭСО. Требования к свойствам этих моделей с учетом требований смежных дисциплин (навигации и управления) и ограничений на потребляемые вычислительные ресурсы.
Редуцированные математические модели динамики траєкторного движения самолета, Пилотажных управляющих систем и Навигационных информационных систем.
Разработанное имитационное ПО, методика и результаты тестирования интегрированного программного комплекса «Имитационное ПО - Вычислительная система самолетовождения из состава ПНО» в различных режимах навигации и траєкторного управления.
Анализ состояния и перспектив развития электронных средств обучения летного и инженерно-технического персонала гражданской авиации
В структуре эксплуатации авиационной техники в целом и Пилотажно-навигационного оборудования (ПНО) в частности верхним уровнем иерархии является безопасность полетов, которая обеспечивается процессом поддержания летной годности ПНО. Данный процесс определяется как техническими факторами, т.е. состоянием оборудования, так и человеческим фактором, а именно уровнем подготовки, профессионализмом летного и инженерно-технического персонала (рис. 1.1).
Концепция подготовки и переподготовки авиационного персонала предполагает наличие в распоряжении авиакомпании, эксплуатирующей воздушные суда (ВС), соответствующих тренажеров для каждого типа находящегося в эксплуатации ВС. Документы JAR-STD 1А, JAR-STD 2А, JAR-STD ЗА, JAR-STD 4А [96], [97], [98], [99], в которых содержатся общеевропейские нормы летной годности для тренажеров, дают следующую классификацию тренажеров: Flight Simulator (Simulator) (FS) - Пилотажный тренажер; Flight Training Device (FTD) - Устройство летной подготовки; Synthetic Training Device (STD) — Устройство комплексной летной подготовки; Flight and Navigation Procedures Trainer (FNPT) - Тренажер для отработки техники пилотирования и навигации. Перечисленные типы тренажеров характеризуются сложностью и дороговизной необходимого оборудования. В любой конфигурации они содержат полномасштабную, натуральную кабину экипажа того ВС, для которого предназначен тренажер, с полным набором бортового оборудования, а также вычислительный комплекс, моделирующий движение ВС на земле и в воздухе, и подыгрывающий всю информацию, необходимую для работы бортового оборудования.
По составу тренажерного оборудования и выполняемым функциям перечисленные тренажеры отличаются наличием или отсутствием: системы визуализации подвижного изображения в пространстве за кабиной, системы воспроизведения звуковых эффектов (сигнализации, имитации шумов двигателей и др.), системы обеспечения подвижности кабины. В тех же стандартах указывается еще одна градация тренажеров: Other Training Device (OTD) — которые принципиально отличаются от уже перечисленных тем, что не требуют для процесса обучения наличия полной среды кабины экипажа.
Вопросам отечественного тренажеростроения и создания их программно-математического обеспечения (ПМО) посвящено большое количество работ, в том числе таких ведущих ученых ВВИА им. проф. Н.Е.Жуковского, как академика АН СССР А.А.Красовского и учеников его школы [60], [62], а также проф. В.А. Боднера [10]. Однако в этих работах рассматриваются всевозможные аспекты разработки и методик обучения на тренажерах, но не затрагивается экономическая сторона вопроса, в том числе в виде требований к необходимой мощности и, следовательно, стоимости вычислительных средств. Но существующие в настоящее время отечественные тренажеры требуют кардинальной модернизации [130], вопросы финансирования которой остаются открытыми. Крупные авиакомпании, например, «Аэрофлот», приобретают зарубежные авиалайнеры в совокупности с соответствующими тренажерами. Средние и мелкие авиакомпании вообще не имеют на это средств. Но, как показывает российская и мировая статистика, именно на их долю приходится наибольший процент летных происшествий и катастроф.
Все вышесказанное относится к тренажерам для летного персонала. Для подготовки и переподготовки инженерно-технического персонала комплексные тренажеры не предназначены.
Современное бортовое самолетное оборудование, в том числе авионика, является интеллектуальным продуктом высоких технологий. Изделия авионики позволяют существенно снизить нагрузку на летный экипаж, что позволило на современных авиалайнерах ГА сократить экипаж до двух человек. Совершенное владение этой техникой и ее эффективная летная эксплуатация, использование всех ее возможностей, в том числе в нештатных ситуациях, требует постоянного тренажа. Модернизация авионики требует переквалификации летного персонала.
Техническое обслуживание авионики также требует высокой квалификации и периодической переподготовки инженерно-технического персонала.
Однако использование традиционного полноразмерного комплексного тренажера для приобретения устойчивых навыков в работе с системами ПНО у летного и тем более инженерно-технического персонала представляется экономически нецелесообразным.
В настоящее время традиционным учебным средством для приобретения квалифицированных знаний по использованию ПНО в полете, а также по его техническому обслуживанию и ремонту, т.е. поддержанию его летной годности, по-прежнему является техничекая документация в виде Руководств по эксплуатации (РЭ). На фоне распространения компьютеризации во все сферы человеческой деятельности использование традиционной «бумажной» технической литературы и документации в области подготовки и переподготовки летного персонала является архаичным и неэффективным.
Более приемлемым с точки зрения учебного процесса является наличие в тех или иных учебных заведениях (штурманском классе, центре подготовки инженерно-технического персонала, вузовской лаборатории), помимо РЭ, аппаратуры ПНО в натуральном виде. Но для успешного освоения высокоинтеллектуальной техники необходимо иметь навыки для работы с ней не только в статическом, но и в динамическом режиме. Последнее требует в том или ином виде моделирования условий реального полета, введения отказов, наглядной демонстрации методики поиска и устранения неисправностей.
Доступным в организационном, экономическом и функциональном смыслах решением проблемы наличия современного учебного средства для освоения летным и инженерно-техническим персоналом систем ПНО является создание специализированных Электронных средств обучения ПНО, которые предлагается включать в систему поддержания летной годности ПНО (рис. 1.2).
Электронное средство обучения (ЭСО) представляет собой программный продукт, инсталлированный на PC - персональном компьютере (персональной электронной вычислительной машине ПЭВМ). Процесс обучения с помощью ЭСО на сегодняшний день принято называть компьютерным обучением.
Как уже упоминалось во введении, в настоящее время в мировой практике ЭСО рассматривается как неотъемлемая часть продаваемого продукта, а интерактивное компьютерное обучение входит в программу логистической (эксплуатационной) поддержки выпускаемой фирмами изделий высоких технологий. Разработка и поставка эксплуатантам компьютерных средств обучения для наземного и летного персонала в отечественном авиаприборостроении на сегодняшний день рассматривается как полноправный, наряду с разработкой собственно систем авионики, этап жизненного цикла изделия. В последний входит также обеспечение самого процесса обучения (рис. 1.3).
Анализ полной пространственной модели объекта в задаче самолетовождения и принимаемые допущения при ее редукции
Самолетовождение представляет собой задачу, решаемую при объединении смежных дисциплин: традиционная навигационная задача счисления координат сочетается с задачами траєкторного управления, которые по характеру близки к пилотажным. При воспроизведении процессов самолетовождения на ЭСО первая задача предполагает имитацию виртуальных полетов самолета под управлением ПНО по протяженным трассам во всех района Земного шара в спокойной и возмущенной атмосфере. Вторая требует учета динамических характеристик самолета как объекта управления при интенсивных изменениях высот, скоростей и траекторных углов на пространственной траектории, соответствующей запрограммированному маршруту и профилю полета. Наличие топливно-временных задач определяет необходимость имитации процесса выгорания топлива, т.е. моделирования динамики полета объекта с переменной массой.
Уравнения движения самолета подробно рассматриваются в большом количестве известных работ, посвященных механике и динамике полета, системам управления летательными аппаратами и т.д. Примерами таких работ являются [5], [6], [12], [16], [17], [29], [37], [54], [55], [81], [82], [85], [103], [104], [108], [ПО], [114].
Независимо от способа вывода этих уравнений и конечной цели, преследуемой авторами, основные отличия в конечной форме представления уравнений движения сводятся к различиям в выбираемой системе координат, полноте учета отдельных членов, учетом или неучетом сферичности и вращения Земли и способом учета ветрового воздействия на самолет. Для выбора конечного вида уравнений траєкторного движения самолета для реализации их в ЭСО именно эти особенности и являются определяющими.
Традиционно самолет рассматривается как абсолютно жесткое твердое тело переменной массы, обладающее шестью степенями свободы. Динамика движения такого тела описывается векторными дифференциальными уравнениями поступательного движения центра масс и вращательного движения относительно центра масс [6], [103]. Закон изменения массы самолета определяется выгоранием топлива, сбросом груза, дозаправкой топлива и полагается известным: m(t)Va=F, (2.1) К=М, (2.2) = Ч, = -Яс,к rn(t) = тпуст + ттот + тгр (2.3) где: m(t) - масса самолета, тпуст тгр ттопл масса пустого самолета, груза и оставшегося на борту топлива, Va - вектор абсолютной скорости движения центра масс самолета, К - вектор момента количества движения относительно центра масс, F - главный вектор внешних сил, действующих на самолет, М - главный момент внешних сил относительно центра масс, действующих на самолет, Я сек секундный расход топлива двигателями.
Уравнения (2.1)-(2.3) записаны для невращающейся инерциальной (абсолютной) системы координат. Траекторное движение самолета рассматривается относительно по 34 верхности Земли. Силы, действующие на самолет, рассматриваются в системах координат, связанных с самолетом.
С точки зрения программной реализации модели необходимы не векторные уравнения, а их проекции на какие-либо оси. При переходе от векторной формы записи уравнений движения к скалярной используются различные системы координат (с.к.), в том числе указанные в ГОСТ 20058-80-86 [32]. Принятые обозначения осей и их взаимное расположение приведены в Приложении 1.
Полная пространственная модель объекта «ПК - самолет - воздушная среда» с учетом вращения Земли в инерциальном пространстве для задачи самолетовождения описывается уравнением состояния J = F(j ПУПР иВ03М A t\ (2.4) где вектор состояния содержит параметры Хт = сох соу coz 3 у у/ Vk в Yk HQJJ Q3 mmottl\\, (2.5) вектор нестационарных параметров 1(7/= тх ту mz сха суа cza сР qmom ан рн g R3\\, (2.6) вектор ветровых возмущений —T Увозм aw pw ctw fiw (2.7) t - текущее время.
Вектор состояния можно представить состоящим из подвекторов: пилотажных параметров &,у,Ц/ , со х, о) СО z - углы тангажа, крена, рыскания и их угловые скорости; траекторных параметров Vk в Н - траєкторную (кинематическую) скорость движения центра масс самолета, угол наклона траектории, угол пути и высоту полета; навигационных параметров QJJ ... QJJ - параметров уравнения Пуассона, описывающего производную вектора во вращающейся системе координат. Вектор нестационарных параметров включает аэродинамические характеристики самолета тх, ту, mz, сха, суа, cza , высотно-скоростные характеристики двигателя сР, qmom-, параметры стандартной атмосферы ан,рня зависящие от региона полета ускорение свободного падения g и радиус Земли Rj. Ветровые возмущения задаются в виде ветровых углов атаки и скольжения (xw, fiw.
В наиболее простом случае в вектор управления входят вырабатываемые САУ сигналы управления в каналах руля высоты SB, элеронов Sg, руля направления 8ц, а также отклонения рукоятки управления двигателями бруд: Uynp SB 8Э 5Н друд (2.8) При наличии других управляющих воздействий вектор управления расширяется. Модель пилотажного комплекса (модель ПК) в рассматриваемом случае требует решения уравнений, составляющих алгоритмы управления, реализуемые в САУ и AT: SB = W jy(a z S пу у $?аСдС/ауЪХ S3=W y{cox у у дс ), SH=W »y{a y 6 y nz), 8РУД =Wp (пх & М Vnp P3Bacdc /пвхс3сад)
(2.9) Итак, полная пространственная модель объекта для решения задач самолетовождения (4-х мерной навигации) описывается нелинейной нестационарной системой высокой размерности (п = 20). Кроме того, для замыкания контуров управления в горизонтальной и вертикальной плоскостях и формирования измерений необходимо дополнить ее системой нелинейных алгебраических уравнений, вычисляющих дополнительные параметры. Обозначим их вектором:
Имитационные модели информационных систем пилотажно-навигационно-го оборудования
систем ближней навигации как отечественных, так и зарубежных, что обусловлено необходимостью обеспечения полетов в любых регионах Земного шара. Это отечественная система РСБН (Радиосистема ближней навигации) различных модификаций и зарубежные системы VOR (Very high frequency Omnidirectional Radio Range) и DME (Distance Measuring Equipment) также различных модификаций [117], [118].
Системы ближней навигации состоят из наземных радиомаяков и бортового оборудования. При этом бортовое оборудование отечественных РСБН обеспечивает измерение азимута и дальности от самолета до наземного радиомаяка. Бортовое оборудование системы VOR обеспечивает измерение магнитного азимута до маяка VOR, а системы DME - дальности до радиомаяка DME, т.е. у каждого маяка своя антенна. В принципе маяки VOR HDME могут быть совмещенными (антенны расположены близко друг к другу) и автономными. С точки зрения использования маяков VOR/DME для целей коррекции координат текущего местоположения ВС рассматриваются только совмещенные маяки.
Рассматриваемые радиосистемы работают на ультракоротких волнах, поэтому обмен сигналами между самолетом и наземным маяком возможен лишь на дальностях прямой видимости, которая в основном зависит от высоты полета [118]. Непосредственно над радиомаяком прием сигналов невозможен из-за наличия «мертвой зоны», радиус которой примерно равен высоте полета самолета [118].
В соответствии с вышесказанным вектор измерения приемника РСБН или приемников VOR и DME содержит параметры азимута от текущего местоположения ВС с координатами р и Я на радиомаяк (РМ) с координатами фрм и РМ и наклонной дальности от ВС, летящего на высоте Н, до маяка АРМ =/л\ Р Л,(ррм ЛрМ), DPM = fD\(p,X,(ppM PM H\ (3-41) Они могут быть вычислены в имитационном алгоритме простейшим образом, а именно: . . (Я- kp\AcOS(D A = Arctg- 11 -, (3.42) Р- РРМ D = R23[( p-(рРМ)2 + (Я- ЛРМ)2cos2 р] + {Н-НРМ)2 . (3.43)
Однако, если в основных алгоритмах ВСС используются более точные вычисления и имеется соответствующая стандартная программа, в алгоритме «Имитация» могут использоваться те же вычисления. Рассмотрим их подробнее.
В [86] рассматривается решение обратной геодезической задачи: определения полярных топоцентрических координат, а именно расстояния между двумя точками по прямой D и геодезический азимут от одной точки на другую А по известным геодезическим координатам этих точек:
Далее полагая [86], что геодезические координаты В и L незначительно отличаются от географических широты (р и долготы Л и принимая в качестве 1-ой точки текущее местоположение самолета, вычисляемое в блоке «Модель динамики траєкторного движения», а в качестве 2-ой точки местоположение радиомаяка, хранящееся в БНД, получим следующие выражения для вычисления наклонной дальности DpM и азимута Арм от самолета на маяк: NC = I 2 2 NpM = / 2а. 2 (3-48) 1-е sin ср л] 1-е sin (рРМ х = (Nc + H)cos р COS(A - ЛРМ ) у = (Nc + H)cos ф sin(Z - ЛРМ ) z = [Nc(l-e2)+H\sin p % = [z + e NPM sin (pPM jcos (pPM -xsin cpPM = ( z + e2NPM sin (pPM )sin pPM + xcos q PM - (Nc + HPM) (3.49) APM = arctg ґуЛ (3.50) DPM=442+y2+i2 (3-51)
Выражения (3.42) - (3.43) или (3.48) - (3.51) определяют функцию наблюдения для вектора измерений радиотехнических средств ближней навигации.
Поскольку радиоаппаратура ближней навигации работает на ультракоротких волнах, уверенный прием ее сигналов возможен только на расстоянии прямой видимости. Кроме этого и в непосредственной близости от маяка существует «мертвая» зона.
Имитационная модель должна воспроизводить процесс попадания самолета в рабочую зону радиомаяка и выход из нее при выполнении виртуального полета. Поэтому прежде, чем на основании вычисленных параметров Арм и Dp сформировать вектор измерений, значение наклонной дальности Dp j проверяется на допуск: DM;„ Dp\4 Dr (3.52) где Dmin=U H, Dmax=j2 H R3 (3.53) И далее матрицам состояния выходных параметров присваиваются значения Кмс (3.54) 1 npuDmin DPM Dmax [О при DPM Dmax или DPM Dmin где единица соответствует состоянию «нормальная работа», ноль - состоянию «данные не готовы». Такое построение модели отвечает сформулированному выше принципу: математически или другим формализованным способом отражать принцип действия измерителя в том случае, когда он существенен для работы алгоритмов ВСС. Здесь работа алгоритмов первичной обработки сигналов бортовых приемников РСБН, VOR, DME и далее работа КОИ в целом определяется именно нахождением самолета в рабочей зоне того или иного маяка.
Кроме параметров азимута и дальности, вектор измерений радиотехнической системы ближней навигации включает параметр частоты настройки приемника, которая должна совпадать с рабочей частотой fp наземной аппаратуры соответствующего маяка (или номером частотно-кодового канала ЧККрм для отечественной радиоаппаратуры). Окончательно вектор измерений РСБН с учетом вектора ошибок РСБН: Рассмотрим случай, когда на борту установлены два приемника РСБН, два приемника VOR и два приемника DME. Тогда вектор измерения РСБН запишется как: (3.58) РСБН2 ZPCEH = II АРСБН1 D РСБН 1 ЧКК РСБН 1 А РСБН 2 D РСБН2 ЧКК Вектор измерения VOR: (3.59) ZVOR =\\ AVORI fvORl AVOR2 fvOR2 Вектор измерения DME: Т II и ZDME = II DDMEl fDMEl D DME2 /DME2 (3.60) В соответствии с алгоритмией ВСС функции наблюдения для векторов ZрСБН , ZVOR Z DME опРелеляются не только взаимными координатами местоположения ВС и маяков РСБН, VOR, DME, но и состоянием вектора Xjjy, а именно: на какие маяки осуществляется настройка бортовых приемников радиосистем ближней навигации. Выбор конкретных маяков определяется оператором (летчиком, штурманом) или автоматически соответствующим алгоритмом ВСС.
Вектор X jjy включает два номера (имени, идентификатора) радиомаяка RM1 и RM2, с которыми должны работать алгоритмы первичной обработки информации ра RM II Ш 1 диоприемников ближней навигации: XПу = Один или оба эти номера (идентификатора) могут отсутствовать (быть нулевыми), если в зоне видимости ВС находится один или ни одного маяка.
Реализация и тестирование имитационных моделей траєкторного движения самолета
При автономном тестировании имитационных моделей динамики и кинематики горизонтального движения центра масс самолета в виде (2.71), (2.84) -к (2.88) за эталон приняты кинематические соотношения в виде уравнения Пуассона (2.73)- (2.82), реализованные в ДИНО МСК-Н. В модели динамики движения центра масс самолета в ДИНО учтена инерционность самолета по каналу крена, а именно входным параметром уравнения (2.71) ДИНО ВСС 1 является величина увх =Гзад 7 ТуР + 1 с дополнительным ограничением скорости ввода самолета в крен \у\ \утах\
Сравнительный анализ точностей счисления координат текущего местоположения проводится в условиях длительных «полетов» по прямой (с нулевым креном) и при выполнении интенсивных разворотов.
В Приложении 3 приведен перечень сравниваемых реализаций кинематических уравнений с указанием доступных ресурсов БЦВМ различных ВСС, в которых был реализован имитационный алгоритм (2.71), (2.84) -г (2.88) или (2.71), (2.89) - (2.93).
Анализ результатов производится путем сравнения параметров, вычисленных: при полете точно по меридиану на Север в течение 1 часа; при полете на Северо-восток в течение 1 часа; 103 при правом и левом развороте с максимально допустимым креном у = 30 на полный оборот (360 по курсовому углу). Все эксперименты проводились при имитируемых: высоте полета Н = 10000 м, скорости воздушной V = 200 м/сек= 720 км/час, широте начальной фд - 50, долготе начальной AQ = 30.
Там же представлены расхождения данных по сравнению с эталоном для параметров широты ф, долготы X, истинного курса у/ц, северной и восточной составляющих путевой скорости Vtf, Vg, полученные при моделировании на срезах по времени, соответствующих 3600 сек для полетов по прямой и 260 сек для разворотов.
Анализ показывает, что отличие в вычислении перечисленных параметров составляет 1.3 +4 км по широте и 2 км по долготе при часовом полете, 3 м/сек по составляющим путевой скорости на разворотах. Это является подтверждением работоспособности алгоритма (2.71), (2.84) - (2.88) / (2.71), (2.89) - (2.93) и его программных реализаций.
Тестирование модели кинематики движения в особых географических точках. Имитационные кинематические уравнения должны обеспечить «полеты» под управлением ВСС в любых районах Земного шара. С этой точки зрения к ПО предъявляются требования обеспечения: изменения имитируемой широты в диапазонах 0 -ь + 90 (Северной широты), 0 + - 90 (Южной широты); изменения имитируемой долготы в диапазонах 0 ч- + 180 (Восточной долготы), 0 4--180 (Западной долготы); скачкообразное изменение значений долготы, курсового и путевого углов и составляющих путевой скорости при пролете полюсов и «особых» меридианов.
На рис.4.2 -j- 4.3 представлены результаты тестирования ПО модели движения при полетах в районах особых точек, а именно: при переходе меридиана 180 при полетах на Восток и на Запад (рис. 4.2а, 4.26); при полетах через Северный и Южный полюса (рис. 4.3а, 4.36). Численные результаты представлены в Приложении 3.
Рассмотрим результаты «полетов» по маршруту, полученные при работе ВСС-70, реализованной на бортовых вычислителях ЦВМ-80. Режим работы КОИ - инерциальный. Указанный режим реализуется при использовании данных о текущих скоростях и координатах только от инерциальной системы, без включения режимов коррекции. Результаты получены при работе бортовых вычислителей на МСК-Н, рис. 4.1. Анализируются зарегистрированные с помощью стендовой Системы визуализации и регистрации (СВР) данные, полученные через каналы выдачи БЦВМ, и с выхода динамического имитатора ДИНО. Сравнение производится по одноименным параметрам, полученным при «полетах» в режиме «ДИНО» и в режиме встроенного бортового алгоритма «Имитация». И в бортовом имитационном режиме, и в режиме динамического подыгрыша МСК все датчики моделируются как «идеальные», т.е. их ошибки принимаются нулевыми. Ветровые воздействия не задаются.
Данные маршрута, на котором производилось сравнение поведения выходных параметров ВСС при проведении полунатурного моделирования в режимах «ДИНО» и «Имитация», представлении в Приложении 4.
Траектории полетов в режимах «ДИНО» и «Имитация» по одному и тому же маршруту от ПМ_1 до ПМ_33 представлены на рис. 4.4. Отдельные фрагменты этих траекторий в более крупных масштабах - на рис.4.5 -г 4.6.
Анализ результатов показывает, что, траектория полета самолета под управлением ВСС, полученная при работе встроенного бортового алгоритма «Имитация», практически совпадает с траекторией полета, когда динамика и кинематика движения описываются полными моделями «ДИНО». Незначительное отличие траекторий наблюдается только при крупномасштабной индикации на разворотах с большим углом доворота. В первой половине полета это разворот в ПМ_12, в конце двухчасового полета - разворот в ПМ_30.
На рис. 4.7 показаны сравнительные данные по параметрам бокового отклонения от траектории (от ортодромии) Z для участков маршрута, в которых различия между траекториями в режимах «ДИНО» и «Имитация» были наибольшими. Как видно из представленных зависимостей, поведение параметра Z в функции времени в режиме «Имитация» имеет тот же характер, что и в режиме «ДИНО».
Похожие диссертации на Имитационное моделирование автоматического самолетовождения для электронных средств обучения летного и инженерно-технического персонала
