Введение к работе
Актуальность работы
За последнее пятилетие при организации технической эксплуатации авиационной техники, включающей в себя эксплуатацию средств радиотехнического обеспечения полетов (РТОП) и связи, учитывают как структурную реорганизацию службы эксплуатации радиотехнического обеспечения полётов (ЭРТОС), объединившейся со службой управления воздушным движением (УВД) для решения задач организации воздушного движения (ОрВД) над территорией России, так и обязательную сертификацию авиационнойтехники.
Структура воздушного пространства Российской Федерации включает в себя 542 воздушные трассы, в том числе 295 международных. Их общая протяжённость составляет 394 тыс. км. По воздушным трассам России выполняется около 590 тыс. полётов воздушных судов (ВС). В этих условиях, когда в объёме перевозок магистральными видами транспорта на долю воздушного транспорта в России приходится более трети всего пассажирооборота и существенная часть грузоперевозок, особую актуальность приобретает проблема обеспечения безопасности полётов (БП). Решение этой проблемы представляет собой такое положение авиационно-транспортной системы (АТС), при котором опасность возникновения катастрофических ситуаций сведена к требуемому минимуму. Обеспечение безопасность полетов включает в себя ряд системных мероприятий, характеризуемых обобщёнными показателями качества:
строгую регламентацию проектирования, постройки, испытаний и сертификации ВС, двигателей и оборудования (Кпи);
полный перечень технических требований и нормативов к характеристикам ВС; его элементам, системам, агрегатам и оборудованию (Ктг);
систему технической эксплуатации с приложением регламентирующей документации для каждого типа ВС и парка ВС в целом с включением перечня обязательных правил по их подготовке и обслуживанию (Ктэ);
технические требования и нормативы к аэропортам, аэродромам и воздушным трассам и к их оборудованию (KAS);
правила, устанавливающие организацию УВД и сертификацию радиоэлектронного оборудования систем УВД (Кувд);
организационную схему и порядок работы службы метеообеспечения полетов (КМВТ);
систему организационных мероприятий, обеспечивающих безопасную летную эксплуатацию авиационнойтехники (Клэ);
РОС НАЦИОНАЛЬНАЯ {
Ctlmptor 0т J
*»—і -— і і ч штш
систему расследования авиационных происшествий и разработку мероприятий по их предотвращению (Кр);
систему обобщения опыта эксплуатации ВС и других элементов АТС (Коэ);
систему контроля обеспечения БП (Кко)-
ПрИВедеННЫе ВЫШе Коэффициенты КцИі Ктг. Ктэ, Ко» Кувд, Кщет, Km, Кр, Коэ,
К(со можно рассматривать как интегральные (обобщённые) показатели качества соответствующих систем, обеспечивающих БП. Используя их, можно представить результирующий показатель БП в виде функции
Кбп =/(Кпи> Ктг, Ктэ, Кдэ, Кувд, Кмст, Клэ, Кр, Коэ, Кко-)- О)
Как следует из (1), одним из факторов, влияющих на безопасность полетов, является качество системы УВД, определяемое коэффициентом Кувд, который может быть определен, как функционал от информационных параметров системы.
Система УВД, как известно, является сложной системой, центральным звеном которой является диспетчер УВД, и в которую входит большой комплекс технических средств. Основными источниками информации такой системы служат первичные и вторичные радиолокаторы, автоматические радиопеленгаторы, радиотехнические системы дальней и ближней навигации, средства связи и другое радиотехническое оборудование. Службами ЭРТОС и УВД эксплуатируется более 540 средств радиолокации, 1260 средств радионавигации, около 5000 комплектов аппаратуры радиосвязи, документирования и автоматических телефонных станций, 185 радиотехнических систем посадки. Интегральный показатель качества системы УВД (Кувд) может быть определен из соотношения
Кувд =1~ПУВД ' ИОБЩ> (2)
где я уВд - число авиационных происшествий, вследствие недостатков в работе системы УВД для одного ВС за время полета, л0БЩ " общее число авиационных происшествий с ВС за время полета по всем другим причинам.
Анализ состояния БП за 1996...2002 г.г. позволяет сделать следующий вывод в части недостатков работы системы УВД: наиболее распространенными из них является нарушение правил эшелонирования.
Вполне очевидно, что повышение точности определения местоположения ВС позволит уменьшить как ошибки, связанные с обеспечением норм эшелонирования, так и ошибки диспетчеров. Требования ИКАО к допустимым среднеквадратическим ошибкам определения навигационных параметров достаточно высоки. Так, например, на уровне двух среднеквадратических ошибок (СКО), что соответствует доверитель-
5 ной вероятности 0,95, точность определения местоположения ВС при заходе на посадку до высоты менее 30 м по 3 категории ИКАО составляет по боковому отклонению 6м, а по вертикали-0,4...0,6 м.
Потенциальная точность определения местоположения ВС определяется параметрами радиотехнических средств, входящих в систему УВД. Прежде всего, речь идет об энергетическом потенциале используемых систем и о диаграммах направленности (ДН) их антенн. Действительно, среднеквадратическая ошибка измерения угловых координат ВС прямо пропорциональна ширине диаграммы направленности антенны (ДНА) и обратно пропорциональна отношению сигнал/шум на выходе идеального измерителя, а погрешность измерения дальности обратно пропорциональна отношению сигнал/шум и эффективной ширине спектра сигнала.
В связи с вышесказанным можно считать, что электротехнические характеристики антенны, как одного из главных звеньев любой радиотехнической системы, осуществляющей прием (передачу) информационного сигнала, будут в значительной степени влиять на базовые показатели радиотехнических средств УВД, включая, например, такие из них как: энергетический потенциал (дальность действия, точность), пропускная способность, функциональная гибкость (адаптивность, электромагнитная совместимость), и в итоге на Кувд, т.е. на коэффициент КБП- Поэтому естественно, что к средствам контроля и проверки антенных систем предъявляются требования высокой достоверности, полноты, точности и доступной стоимости измерений, и одним из основных мероприятий при технической эксплуатации средств РТОП и авиационного радиооборудования является контроль их технического состояния.
В настоящее время в гражданской авиации (ГА) в соответствии с нормативными документами основным методом проверки и контроля функционирования, как антенной системы, так и всего радиотехнического комплекса УВД является метод облетов. Летные проверки должны проводиться с целью наиболее полного подтверждения соответствия параметров радиотехнических средств требованиям действующих норм годности при вводе их в эксплуатацию, а также после замены или модернизации антенной системы, что лишний раз подчеркивает значение антенн как ключевого органа радиотехнического комплекса.
Для проведения летных проверок наземного радиооборудования в России используют самолеты-лаборатории, оборудованные специальной бортовой измерительной аппаратурой. Впервые в нашей стране специальная аппаратура лётного контроля появилась в 70-х годах. К ней, прежде всего, относится бортовой измерительный комплекс ЛИК-2. В последующие годы была разработана аппаратура лётного контро-
ля АЛК-70 и автоматизированная система лётного контроля АСЛК-75. Если говорить о перспективах развития АСЛК, то можно отмстить, что более новой лабораторией будет АСЛК-С-80. При этом стоимость оборудования, его установка на самолёт, испытания и ввод в эксплуатацию составят не менее 800 тыс. долларов США для одной лаборатории.
Кроме финансовых имеются и другие проблемы, связанные с летными проверками. Например, в случае проверки наземных радиотехнических средств существует «помеховое окружение», определяемое природным ландшафтом, который может оказывать существенное влияние и при испытаниях бортовой аппаратуры, вследствие многолучевого распространения радиоволн и отражения сигнала.
Наряду с прямыми методами измерений, к которым относится метод облетов, применяют и косвенные методы, позволяющие искусственно имитировать эффект «свободного пространства» без привлечения к измерениям дорогостоящих самолетов-лабораторий.
Для эксплуатируемого радиоэлектронного оборудования магистральных самолётов Ту-134, Ту-154, ИЛ-62М объём технического обслуживания (ТО) по состоянию с периодическим контролем параметров на самолёте составляет 20%, остальная часть ТО производится в лабораториях авиационно-технической базы (АТБ). При этом эта часть работ связана со съёмом радиооборудования с самолётов, что не способствует повышению надёжности его работы. Существующие наземные передвижные аэродромные лаборатории ПАЛ-5, СПЛ-154, относящиеся к специальным средствам измерений в ГА России, не решают задачу автоматического измерения характеристик ихтучения средств РТОП и авиационного радиооборудования. ПАЛ-5 предназначена для контроля основных выходных параметров курсоглиссадных радиомаяков, а СПЛ-154 при помощи выносных антенн осуществляет проверку каналов курса и глиссады самолётов Ту-154 и Ил-62М.
Таким образом, возникает актуальная научная проблема: обеспечить измерения характеристик излучения средств РТОП и авиационного радиооборудования с необходимой точностью в наземных условиях при сохранении требований к БП на заданном уровне.
Цель и задачи исследования. Целью работы является обеспечение требуемого уровня достоверности контроля характеристик излучения средств РТОП и авиационного радиооборудования на основе измерения диаграмм направленности антенн в наземных условиях при сохранении заданных требований к БП. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
исследованы тенденции развития лётных проверок в России, оценена эффективность, как метода облётов, так и альтернативного варианта наземных измерений;
рассмотрена методология различных способов измерений, учитывающая влияние искажающих факторов на их точность;
проанализирована область современной метрологии, относящаяся к косвенным методам измерений;
для задач ТО средств РТОП и авиационного радиооборудования предложен реконструктивный метод измерений. Проведена алгоритмизация процесса измерений с использованием процедур дискретного преобразования Фурье;
для технического контроля наземных и авиационных радиотехнических средств исследован способ коррекции результатов измерений, учитывающий влияние искажающих факторов окружающей обстановки;
исследован метод контроля амплитудно-фазового распределения токов в рас-крыве антенны курсового радиомаяка системы посадки СП-90;
реализован реконструктивный метод определения характеристик излучения
авиационных радиотехнических систем в автоматизированном измерительном
стенде и разработано программное обеспечение процесса измерений.
Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории электромагнитного поля, теории линейной алгебры и матричного исчисления, методы математического моделирования и системного анализа, а также экспериментальные исследования авиационного радиооборудования воздушных судов.
Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что в ней проведён системный анализ и классификация методов измерений и контроляхаракте-ристик излучения радиотехнических систем с учётом влияния искажающих факторов для задач ТО по состоянию. Предложены реконструктивный метод измерений и устройства для его реализации, позволяющие повысить точность измерений путём априорного учёта искажающих факторов окружающей среды. Возможность реализации предложенного метода измерений подтверждена экспериментально.
На способы измерений и реализующие их устройства получено 16 авторских свидетельств СССР и 2 патента Российской Федерации.
В диссертации получены следующие основные научные результаты:
проведена классификация методов измерения характеристик излучения радио
технических систем с учётом влияния искажающих факторов на точность из
мерений;
предложен реконструктивный метод измерений и дана оценка его точности;
предложен способ учёта влияния искажающих факторов окружающей среды на
точность измерений характеристик излучения;
разработан метод контроля амплитудно-фазового распределения токов в рас-
крыве антенн средств РТОП;
проведена экспериментальная проверка реконструктивного метода измерений, разработан пакет прикладных программ обработки результатов измерений и контроля. На защиту выносятся:
-
Рекомендации по выбору метода измерения характеристик излучения радиотехнических систем в наземных условиях при сохранении требований по БП.
-
Реконструктивный метод измерений, учитывающий влияние искажающих факторов окружающей среды при ТО средств РТОП.
-
Метод контроля амплитудно-фазового распределения токов антенн радиотехнических систем.
-
Автоматизированный измерительный стенд для определения характеристик излучения радиотехнических систем и его программное обеспечение.
Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:
уменьшить объём лётных проверок средств радиотехнического обеспечения полётов;
обеспечить требуемый уровень БП при заданной точности контроля характери
стик излучения радиооборудования, проводимого в наземных условиях;
расширить функциональные возможности передвижных аэродромных лабораторий, используя их для измерения внешних характеристик излучения как бортовых, так и наземных радиосистем;
автоматизировать наземные измерения характеристик излучения радиотехнических средств обеспечения полётов. Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУГА, Рыльском авиационно-техническом колледже ГА, ГосНИИ ГА,
ГосНИИ "Аэронавигация" и ОАО КБ "Лира", что подтверждено соответствующими актами.
Достоверность результатов основана на корректном использовании методов математического моделирования на ПЭВМ и на экспериментальных результатах, полученных в ходе исследований на автоматизированном стенде.
Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались на: 3-ей и 4-ой Всесоюзньж конференциях по антенным измерениям в 1984 и 1987г.г. во ВНИИРИ (г. Ереван); Всесоюзньж научно-технических конференциях «ФАР-90» , «ФАР-92» в 1990г. и в 1992г. в КАИ (г. Казань); 7-ой Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» в 2001г. в ВГУ (г. Воронеж); Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на рубеже веков» в 2001г. в МГТУГА (г. Москва); 56-й Научной сессии НТОРЭС им. А. С Попова, посвященной Дню радио, в 2001г. (г. Москва); 11-й Международной конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» в 2001г. (г. Севастополь); Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» в 2003 г. в МГТУГА (г. Москва); 5-ой Международной научно-технической конференции «Авиа-2003» в 2003г. в НАУ (г. Киев); научно-технических семинарах в МГТУГА по НИР, выполненным по гранту Учёного совета МГТУГА в 2000...2001г.г., а также на ежегодных научно-технических семинарах кафедры радиотехнических устройств в МГТУГА в 1999-2003г.г.
Публикация результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в монографии и в 18 научно-технических статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, шести глав. Заключения, списка использованных источников и пяти Приложений. Основная часть диссертации содержит 263 страницы текста, 114 рисунков, 9 таблиц и библиографию из 183 наименований. Общий объем работы 315 страниц.
