Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Исследование проблемы повышения безопасности полетов в условиях сложной воздушной обстановки 12
1.1. Анализ факторов воздушной обстановки, влияющих на безопасность полетов 13
1.2. Обзор существующих средств оценки воздушной обстановки и анализ их недостатков 24
1.3. Исследование возможностей искусственного интеллекта для увеличения эффективности существующих средств оценки воздушной обстановки 36
Глава 2. Разработка методики проектирования информационно-вычислительных систем комплексной оценки воздушной обстановки 50
2.1. Концептуальные исследования процедуры проектирования информационно-вычислительных систем оценки воздушной обстановки 51
2.2. Операциональный анализ процедуры проектирования ИВСОВО 65
2.3. Разработка системных моделей ИВСОВО 79
Глава 3. Разработка алгоритмического обеспечения для комплексной оценки воздушной обстановки 90
3.1. Нейросетевой алгоритм зонирования воздушного пространства на качественном уровне 91
3.2. Алгоритм зонирования воздушного пространства с количественной градацией уровня опасности 108
3.3. Нейросетевой алгоритм распознания класса прецедентов 104
3.4. Алгоритм автоматического маневрирования для уклонения от опасности 120
Глава 4. Исследование особенностей аппаратно-программной организации ИВСОВО на базе COTS-продуктов 127
4.1. Формирование множества программно-аппаратных средств реализации ИВСОВО 127
4.2. Разработка аппаратного ядра РЇВСОВО на базе
COTS вычислительных модулей 140
4.3. Программная реализация нейросетевого алгоритма зонирования
воздушного пространства на качественном уровне 150
Заключение 161
Список использованной литературы
- Анализ факторов воздушной обстановки, влияющих на безопасность полетов
- Концептуальные исследования процедуры проектирования информационно-вычислительных систем оценки воздушной обстановки
- Нейросетевой алгоритм зонирования воздушного пространства на качественном уровне
- Формирование множества программно-аппаратных средств реализации ИВСОВО
Введение к работе
Актуальность. Бортовое оборудование современных воздушных судов во многом определяет безопасность и эффективность эксплуатации воздушного транспорта. При его разработке приходится решать такие противоречивые задачи как повышение безопасности полетов при росте интенсивности Р воздушного движения и увеличении пропускной способности воздушного пространства. Как следствие, возрастает количество функций, возлагаемых на бортовое оборудование и экипаж летательных аппаратов. Кабина экипажа современного самолета становится чрезвычайно загруженной средой. При этом увеличение функциональных комбинаций приборов и неполнота отображения информации из-за ограниченных возможностей вычислительных, измерительных и исполнительных элементов бортового оборудования по обработке больших массивов данных способны привести к снижению уровня ситуационной уверенности экипажа. Пилот оказывается подавленным лавинообразным потоком поступающей информации и сложностью расчетов, необходимых для принятия правильного решения. Все это приводит к тому, что возможные угрозы вовремя не распознаются и экипаж принимает неверные решения. По данным ИКАО за каждый рейс пилоты совершают в среднем 1,84 щ ошибки, а в целом от 60 до 70 процентов авиационных происшествий и инцидентов связаны с неправильными действиями экипажа. В сложившейся ситуации важное значение приобретает внедрение бортовых интеллектуальных систем, призванных разгрузить экипаж от сложной интеллектуальной работы по анализу и оценке воздушной обстановки, повысить качество принимаемых решений. Применение методов искусственного интеллекта на борту ЛА исследуется с различных позиций как в нашей стране, так и за рубежом. Большой вклад в теорию и практику создания интеллектуализированных комплексов бортовой авионики внесли видные отечественные ученые и конструкторы Абутидзе З.С., Белый Ю.И., Джанджгава Г.И., Захаревич А.П., Миронов В.В., Крюков СП., Парамонов П.П., Северов Л.А., Синяков А.Н., Суслов В.Д., Федосов Е.А, Федунов Б.Е., Черняховская Л.Р., Юсупова Н.И.. В ґ Ш результате современные летательные аппараты оборудуются целым комплексом устройств, направленных на обеспечение безопасности полетов. К их числу относятся системы предупреждения приближения земли, системы предупреждения и предотвращения столкновения воздушных судов, а также метеорадары. Тем не менее, указанные устройства вырабатывают, вследствие Щ присущих им недостатков, несогласованные сигналы предупреждения, которые в ряде случаев требуют выполнения противоречащих друг другу действий по управлению самолетом. В частности, системы TCAS и TCAS II обеспечивают разрешение только парных конфликтов неманеврирующих воздушных судов при малой плотности воздушного движения (до 0,3 ВС на кв. милю). Кроме того, для них характерны запоздалое обнаружение угрожающих воздушных судов, если они меняют эшелон, отсутствие учета маневренно-скоростных характеристик конфликтующих ВС, что не гарантирует их расхождения, а также несогласованность рекомендуемого маневра по высоте с маневром по уклонению от опасных метеообразований и уклонению от столкновения с землей в гористой или пересеченной местности. Что касается систем GPWS и EGPWS, то, как свидетельствует статистика летных происшествий, около 40% столкновений с землей в управляемом полете реактивных пассажирских самолетов, оборудованных указанными системами, связано с поздним предупреждением, а в 16% случаев экипажами вообще не были получены сигналы предупреждения.
Все это может служить веским основанием для пересмотра сложившейся концепции оценки безопасности воздушной обстановки на основе автономных систем в пользу интегрированной информационно-вычислительной системы, обеспечивающей распознавание комплексных опасностей, прогнозирование возникающих ситуаций, а также предлагающей пути разрешения возможных конфликтов.
Цель и задачи исследования.
Целью диссертационной работы является повышение уровня безопасности полетов воздушных судов за счет внедрения на борт интегрированной информационно-вычислительной системы оценки воздушной обстановки, позволяющей комплексировать информацию, поступающую от различных внешних источников, и формировать на этой основе рекомендации по управлению воздушным судном в сложных условиях полета.
Для достижения этой цели в диссертации поставлены и решены следующие задачи.
1. Сформулированы требования к методике построения сложных информационно-вычислительных систем оценки воздушной обстановки на основе анализа факторов, влияющих на безопасность полетов, и существующих средств оценки воздушной обстановки.
2. Разработана методика построения ИВСОВО, определяющая концепцию проектирования систем данного класса на базе предложенных системных моделей, отражающих желаемые свойства проектируемой системы, с учетом особенностей программно-аппаратной среды, в рамках которой осуществляется реализация ИВСОВО.
3. Разработано алгоритмическое обеспечение ИВСОВО, позволяющее осуществлять зонирование воздушного пространства на качественном и количественном уровне за счет формирования комплексной оценки опасности полетной ситуации, а также вырабатывать рекомендации по автоматическому маневрированию для уклонения от опасности.
4. Исследованы особенности аппаратно-программной организации ИВСОВО в виде функционально и структурно полного класса структурированных вариантов, реализованных на базе COTS-продуктов.
5. Разработано программное обеспечение ИВСОВО, позволяющее показать эффективность предложенной методики комплексной оценки воздушной обстановки и соответствующего алгоритмического обеспечения.
Методы исследования. Результаты исследований, выполненные в работе, базируются на методах системного анализа, искусственного интеллекта, теории оптимизации, функционального анализа, теории комплексирования ф # бортовых измерительно-вычислительных систем, на применении современных информационных технологий. На защиту выносятся
1. Методика проектирования информационно-вычислительных систем комплексной оценки воздушной обстановки, направленная на повышение ситуационной уверенности экипажа летательного аппарата и улучшение качества принимаемых решений в особых полетных ситуациях.
2. Иерархически упорядоченная совокупность системных моделей ИВСОВО, включающая функциональные, семантические, информационные и динамические модели, с помощью которых отображаются процессы обработки и передачи информации при оценке воздушной обстановки и выработке рекомендаций по устранению неблагоприятных ситуаций.
3. Алгоритмы качественного и количественного зонирования воздушного пространства на основе комплексирования карт опасности, формируемых с помощью существующих средств оценки воздушной обстановки.
4. Способ автоматического маневрирования по границе опасной зоны для уклонения от опасности с использованием неиросетевого алгоритма распознания класса прецедентов.
5. Результаты программно-аппаратной реализации ИВСОВО базе COTS-продуктов.
Научная новизна.
1. Методика проектирования информационно-вычислительных систем комплексной оценки воздушной обстановки в отличие от существующих методологий, базирующихся на структурном и объектно-ориентированном подходах, позволяет формализовать все стадии разработки подобных систем, начиная с формирования требований к ИВСОВО на основе анализа факторов, влияющих на безопасность полетов, и существующих средств оценки воздушной обстановки и кончая реализацией системы в виде совокупности структурированных вариантов с использованием готовых к применению COTS-модулей и матрицы ключевых открытых стандартных интерфейсов.
2. Иерархически упорядоченная совокупность системных моделей ИВСОВО отличается тем, что позволяет учитывать особенности программно-аппаратной среды, в рамках которой осуществляется реализация программно-аппаратного комплекса ИВСОВО, а также свойства топологических вариантов коммуникационной среды ИВСОВО, в результате чего появляется возможность представить результаты разработки ИВСОВО в виде соответствующих структурных схем.
3. При разработке алгоритмов качественного и количественного зонирования воздушного пространства впервые предлагается использовать метод «распознавания» комплексной оценки опасности с учетом значимости информации, поступающей от систем TCAS, GPWS и метеорадара.
4. Способ автоматического маневрирования по границе опасной зоны для уклонения от опасности впервые позволяет реализовать принцип оперативного контроля уровня безопасности в процессе полета с использованием текущей информации, получаемой непосредственно на борту летательного аппарата, в том числе от наземных и космических средств навигации и от органов управления воздушным движением.
Практическая значимость.
1. Применение разработанной методики проектирования информационно- вычислительных систем комплексной оценки воздушной обстановки позволяет сократить время, затраченное на расчетно-теоретические работы при создании систем данного класса, в среднем в 1,7-2,3 раза.
2. Совокупность системных моделей ИВСОВО, включающая функциональные, семантические, информационные и динамические модели, позволяет реализовать программно-аппаратные средства ИВСОВО на базе готовых к применению COTS-модулей, которые отличаются более низкими ценами, более короткими сроками разработки и модернизации, лучшей программной поддержкой, преемственностью, препятствующей моральному устареванию используемых технологий и обеспечивающей тем самым больший срок эксплуатации.
3. Алгоритмы качественного и количественного зонирования воздушного пространства на основе комплексирования карт опасности, формируемых с помощью существующих средств оценки воздушной обстановки обеспечивают повышение ситуационной уверенности экипажа в сложных условиях полета, что снижает вероятность принятия неверных решений и повышает безопасность полета.
4. Несомненную практическую значимость имеет способ автоматического маневрирования по границе опасной зоны, который позволяет обойти угрожаемый участок траектории, следуя вдоль границы ближайшей зоны воздушного пространства с допустимым уровнем опасности, с последующим возвращением на исходную траекторию или с выбором нового оптимального маршрута для оставшейся части пути.
Практическая значимость полученных результатов подтверждается внедрением в производственную деятельность предприятий «Российского авиаприборостроительного альянса».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях: «Современные проблемы радиоэлектроники» - VII Всероссийская с международным участием научно-техническая конференция молодых ученых и студентов (г. Красноярск, 2005), «Микроэлектроника и информатика - 2005» -12-ая Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов (г. Москва, 2005), «Информационные технологии в науке, проектировании и производстве» - XI Всероссийская научно-техническая конференция (г. Н.Новгород, 2004), «Моделирование и обработка информации в технических системах» - Всероссийская научно-техническая конференция (г. Рыбинск, 2004), «Интеллектуальные системы» - VI международный симпозиум (г. Саратов, 2004), «Авиакосмические технологии и оборудование. Казань-2004» - Всероссийская научно-практическая конференция (г. Казань, 2004), «Авиация и космонавтика-2004» - 3-я международная выставка и конференция (г. Москва, 2004), «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты # применения» - VII всероссийская научная конференция молодых ученых и аспирантов (г. Таганрог, 2004), «Королевские чтения - VII Всероссийская молодежная научная конференция (г. Самара, 2003), «Новые информационные технологии. Разработка и аспекты применения» - VI Всероссийская научная конференция молодых ученых и аспирантов (г. Таганрог, 2004), «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» -Всероссийская молодежная научно-техническая конференция (г. Уфа, 2003), «Решетневские чтения» - VII Всероссийская научная конференция (г. Красноярск, 2002), «Наука. Промышленность. Оборона» - Сибирская научно-техническая конференция (г. Новосибирск, 2001), «VI Королевские чтения» -Всероссийская молодежная научная конференция (г. Самара, 2002), «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» -Международная молодежная научно-техническая конференция (г. Уфа, 2002), «Решетневские чтения -V Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов (г. Красноярск, 2000), «XXVII Гагаринские чтения» - Международная молодежная научная конференция (г. Москва, 2001).
Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации опубликованы в 20 работах. В их числе имеются публикации в центральных изданиях, труды и материалы конференций, свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ по теме диссертации.
Структура и объем работы. Структурно диссертация состоит из введения, четырех глав основного материала, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 173 страницах машинописного текста, содержит 48 рисунков и 6 таблиц. Библиографический список включает 104 наименование и занимает 10 страниц.
В первой главе приводится исследование проблемы повышения безопасности полетов в условиях сложной воздушной обстановки. Анализируются факторы, влияющие на безопасность полетов воздушных судов. Дается оценка опасных факторов полета. Проводится анализ ситуаций, возникающих при комбинации неблагоприятных факторов - сложной воздушной обстановке. На основе проведенного анализа позволяет сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая главе посвящена системному анализу процедуры проектирования информационно-вычислительной системы оценки воздушной обстановки. Излагается содержание концептуальных и операциональных исследований ИВСОВО. Целью концептуальных исследований является установление общих закономерностей функционирования изучаемой системы, форм и способов ее организации, разработка целей и задач, выработка концепции применения. Проведение концептуальных исследований обеспечивает содержательность и рациональную взаимосвязь всех остальных этапов разработки системы. На этой основе формируется операциональная модель системы, имеющая целью подробное изучение стратегии и вариантов действия в соответствии с выбранной концепцией, определяется ее функциональный состав и информационная достаточность.
Третья глава посвящена разработке алгоритмического обеспечения ИВСОВО, включающего нейросетевой алгоритм зонирования воздушного пространства на качественном уровне, алгоритм зонирования воздушного пространства с количественной градацией уровня опасности, нейросетевой алгоритм распознания класса прецедентов, алгоритм автоматического маневрирования для уклонения от опасности.
В четвертой главе рассматриваются особенности аппаратно-программной реализации ИВСОВО. Предлагается вариант интеграции источников информации о воздушной обстановки с ИВСОВО по протоколу ARINC 429. Анализируется возможность реализации нейросетевых алгоритмов, входящих в ИВСОВО, на современной процессорной базе.
Анализ факторов воздушной обстановки, влияющих на безопасность полетов
В начале 1980-х годов ИКАО признало, что возможности существующих аэронавигационных систем ограничены. В 1983 году в ИКАО был создан специальный комитет по будущим аэронавигационным системам (FANS). Комитету было поручено изучить, определить и оценить перспективные аэронавигационные технологии и выработать рекомендации по развитию аэронавигации на 25 лет.
ИКАО рассматривает связь, навигацию и наблюдение как основные функции для обеспечения систем организации воздушного движения. В современной интерпретации, глобальная система с функциями связи, навигации, наблюдения, организации воздушного движения определяется как система CNS/ATM.
Комитет FANS, изучив существующие системы с функциями CNS/ATM, пришел к выводу, что радионавигационные системы рубежа XX-XXI века могут преодолеть ограничения существующих систем только с использованием принципиально новых концепций и систем CNS, а единственным оптимальным вариантом, на базе которого могут быть реализованы новые системы, являются спутниковые технологии.
Концепция FANS, получившая название системы CNS/ATM есть сочетание спутниковых технологий и систем прямой видимости, в совокупности обеспечивающих оптимальные характеристики аэронавигационного обеспечения с технической и экономической точки зрения.
Глобальная модернизация национальных систем управления воздушным движением, связанная с внедрением концепции FANS, становится все более актуальной и для российской Единой системы организации воздушно го движения (ЕС ОВД). «Концепция модернизации и развития ЕС ОВД РФ», утвержденная постановлением № 144 Правительства РФ от 22 февраля 2000 года, предусматривает реализацию десяти инвестиционных проектов, направленных на интеграцию ЕС ОВД РФ в мировую аэронавигационную систему. Для этого планируется существенное повышение степени технического обеспечения действующих и вновь открываемых международных и внутренних воздушных трасс средствами воздушной и наземной связи, наблюдения и управления, отвечающими требованиям ИКАО.
Внедрение новейших технологий позволит снизить себестоимость авиаперевозок и аэронавигационного обслуживания на 20-30% при обеспечении безопасности воздушного движения в соответствии с нормами ИКАО: риск столкновения воздушных судов составит 6x10"8 на час налета в период до 2010 года и 1,5x10"8 - после 2010 года. При этом устраняется необходимость в негибких и экономически неэффективных наземных системах проводки и обеспечения воздушных трасс, а также в связанных с ними навигационных инфраструктурах. Планируется провести укрупнение районных центров управления воздушным движением: к 2010 году из более 120 центров останется только 24 центра, осуществляющих передачу радиолокационной информации и радиообмен с воздушными судами. В этих условиях наземные диспетчеры должны будут руководствоваться концепцией тактического (локального) эшелонирования, основанной на параметрах местоположения и вектора скорости самолетов, а не концепцией стратегического эшелонирования, основанной на параметрах траектории полета и подразумевающей выполнение полетов по назначенным маршрутам, с заданными высотами и скоростями полета под непосредственным контролем системы УВД, как это делается сегодня. Таким образом, реализуется совершенно иной подход к управлению воздушным движением, который вкладывает новый смысл в понятие «полет по приборам».
Перед будущей системой управления воздушным движением ставятся следующие задачи: увеличение пропускной способности воздушного пространства и, как следствие, увеличение пассажиропотоков и регулярности выполнения авиа рейсов; снижение эксплуатационных затрат за счет выбора кратчайших и наиболее экономичных маршрутов к пунктам назначения, что обеспечивает ф сокращение требуемых топливных резервов, особенно на трансокеанских пе релетах; повышение безопасности полетов при росте интенсивности воздуш ного движения.
Комплексное решение перечисленных задач требует разработки новой идеологии формирования целостной окружающей среды, в которой происходит управление воздушным движением. Суть этой идеологии состоит в устранении существующих ограничений воздушного пространства, предусматривающих последовательное движение самолета вдоль предопределенных воздушных трасс, и в переходе к концепции свободного воздушного пространства. Тем самым экипажам воздушных судов предоставляется возможность свободно выбирать оптимальную траекторию полета по маршруту, скорость и профиль, причем даже в большей степени, чем это позволяют правила визуальных полетов.
Задача оптимизации траєкторного движения летательных аппаратов, безусловно, относится к числу многокритериальных. При этом в качестве основных критериев выступают показатели экономической эффективности и безопасности полетов. Как известно, одним из способов устранения противоречий, неизбежно возникающих при одновременной оптимизации нескольких показателей, является перевод части оптимизируемых функций в разряд ограничений, в рамках которых производится оптимизация оставшейся совокупности показателей. Подобная ситуация наблюдается при планировании и оптимизации траекторий и режимов полета в современных автоматических бортовых системах управления (АБСУ - FMS).
Концептуальные исследования процедуры проектирования информационно-вычислительных систем оценки воздушной обстановки
Анализ режимов работы существующих систем оценки воздушной обстановки, проведенный в первой главе, выявил ряд существенных недостатков в организации обеспечения безопасности полетов, базирующейся на этих устройствах: несогласованность сигналов предупреждения, поступающих от автономных систем обеспечения безопасности полетов; отсутствие эффективных рекомендаций по разрешению опасности от нескольких разнородных источников. отдельные средства отображения информации у каждой из указанных систем, что увеличивает нагрузку на экипаж.
Указанные недостатки создают предпосылки для снижения ситуационной уверенности экипажа летательного аппарата, понижают качество принимаемых решений и могут спровоцировать развитие особых ситуаций в сложные и аварийные. Поясним сказанное на следующем примере развития особой ситуации (рис. 2.1).
Как известно /77/, особой считается такая ситуация, которая возникает в полете в результате воздействия неблагоприятных факторов, а также их сочетаний, и которая приводит к снижению безопасности полетов. Внешние угрозы, такие как другие участники воздушного движения, опасные метеообразования, опасность столкновения с земной поверхностью или их сочетание, служат предпосылками к возникновению особой ситуации (ОС). После обнаружения особой ситуации экипажу нужно принять решение по управлению ЛА с целью ликвидации ОС. В случае неверного решения возможно развитие особой ситуации в сложную.
Сложная ситуация связана с заметным ухудшением характеристик и/или выходом одного или нескольких параметров полета за эксплуатационные ограничения, но без достижения предельных значений параметров или уменьшения способности экипажа справиться с неблагоприятными условиями как из-за увеличенной рабочей нагрузки на экипаж, так и из-за условий, понижающих эффективность действий экипажа.
По Вертгеймеру /80/, человеческое сознание воспринимает реальность в виде целостного образа (гештальта), а не в виде отдельных частей. Человек использует информацию из прошлого опыта, чтобы дополнить этот образ необходимыми деталями. Используя обозначенное свойство человеческого сознания, лучше всего обеспечивать поддержку принятия решений экипажем в особых ситуациях, основываясь на успешном опыте по выходу из похожей ситуации в прошлом (прецедентах) и представлять пилоту «образ» ситуации с набором необходимых шагов по ее разрешению. Если же «образ» ситуации, сформировавшийся у экипажа с использованием бортовых средств оценки воздушной обстановки не соответствует реальности, то создаются предпосылки для дальнейшего усложнения особой ситуации. При этом может возникнуть аварийная ситуация, которая характеризуется значительным ухудшением характеристик и/или достижением предельных ограничений или физическим утомлением, или такой рабочей нагрузкой экипажа, что уже нельзя полагаться на то, что он выполнит свои задачи точно и полностью. Если и в этом случае не предпринять экстренных мер по выходу из аварийной ситуации, то последняя неизбежно перейдет в катастрофическую ситуацию, при возникновении которой предотвращение гибели людей оказывается практически невозможным.
Для устранения подобного неблагоприятного развития событий информационно-вычислительная система оценки воздушной обстановки должна обеспечивать поддержку ситуационной уверенности экипажа, выдавая на всех этапах полета информацию о текущей воздушной обстановке в интуитивных форматах, не требующих дополнительной обработки и осмысления получаемых данных, а также сигнализировать о возникновении особых ситуаций и вырабатывать рекомендации по повышению безопасности полетов. Исходя из сказанного, перечислим основные функции, выполнение которых возлагается на ИВСОВО: 1. Комплексирование данных, поступающих от отдельных устройств, их ин теллектуальная обработка и представление в интуитивных форматах. 1.1.Формирование карт опасности. 1.2.Качественное зонирование воздушного пространства по степени опасности (в интуитивных форматах с использованием цветовой гаммы). 1.3.Количественное зонирование воздушного пространства с выделением зон равной опасности. 2. Оценка уровня опасности складывающейся воздушной обстановки и выра ботка предложений по избежанию опасностей.
Нейросетевой алгоритм зонирования воздушного пространства на качественном уровне
Одна из главных задач системы оценки воздушной обстановки состоит в комплексном учете всех внешних факторов и формировании на их основе обобщенной оценки опасности полетной ситуации. При этом автономные устройства оценки воздушной обстановки формируют локальные показатели опасности.
Система предупреждения столкновений самолетов в воздухе выдает совокупность символов и меток с цветным кодированием, а также цифровых данных, которые позволяют для каждой элементарной области зонируемого пространства (X,Y,Z) вычислить уровень опасности VTCAS (х r z) = VTCAS ( » Y, Z, pc, у c, hc, y/c, wc, /,., &t ,Sh(), (3.1) где X, Y, Z - прямоугольные координаты в нормальной системе координат, (PcYc hc V c Wc " собственные параметры полета самолета, соответственно, широта, долгота и высота в нормальной земной системе координат, курс и ско рость, 1{,&,,8hj - параметры /-го (/ = 1,2,...,30) «конфликтующего» воздушного судна - дальность, пеленг и относительная высота.
Система предупреждения приближения к земле формирует цветовое кодированное отображение подстилающей поверхности и искусственных препятствий, а также совокупность сигналов о недостаточной высоте над подстилающей поверхностью, угрозе столкновения с подстилающей поверхностью, превышении максимально допустимого угла крена, чрезмерной скорости снижения, опасной скорости сближения с подстилающей поверхностью, потере высоты после взлета и ряде других параметров. Вся эта информация может быть обобщена в виде следующего функционала VEGWPS\Х,Y,Z)= VEGWPS\Х,Y,Z,Xc,Zc,Hc,wc,wc ,wc,lk,Sk,Hk). (3.2) Здесь, помимо ранее введенных параметров, фигурируют XC,ZC - горизонтальные координаты и Не — высота самолета в траекторией системе координат, м с - вертикальная скорость и WQ,WQ - горизонтальные составляющие путевой скорости самолета, 1к,9к,Нк - дальность, азимут и высота к-то (к = 1,2,..., N) элемента подстилающей поверхности (N - количество таких элементов в заданной области зонируемого пространства).
Метеонавигационный радиолокатор служит для обнаружения и определения координат и степени опасности гидрометеорологических образований, включая зоны повышенной турбулентности и сдвига ветра, их отображения в горизонтальной и вертикальной плоскостях, а также для определения направления перемещения опасных зон относительно воздушных судов. В результате формируется оценка опасности следующего вида VWJ (XJ,Z)=y (x,Y,Z,Xc,Yc,Zc,Xr,Yr,Zr,j1l,T1 j13r,w w ,w ). (3.3)
Здесь XC,YC,ZC и Xr,Yr,Zr - координаты, соответственно, самолета и г-го (г = 1,2,..., М) гидрометеорологического образования в нормальной земной системе координат, ц\,ц цъг - интенсивности грозового фронта, зоны повы шенной турбулентности и сдвига ветра в r-м гидрометеорологическом образовании, ж,,?,, - составляющие скорости перемещения опасных зон.
Выражения (3.1)-(3.3) позволяют присвоить каждой области зонируемого пространства численную характеристику опасности столкновения с другими воздушными судами, с земной поверхностью, и также опасности проникновения в метеообразования. Воспользуемся для этого нормализованной 100-балльной шкалой. Кроме того, для каждого из перечисленных опасных факторов разработаем карту опасности с цветовой кодировкой уровня опасности. Градацию степеней опасности осуществим в соответствии с модифицированной стандартной шкалой по ARINC-708: черный цвет-менее 10 баллов, зеленый -от 10 до 30 баллов, желтый - от 30 до 70, красный - от 70 до 90, синий - от 90 до 100.
В результате получим совокупность карт опасности, аналогичных представленной на рис. 3.1.
ИВСОВО должна произвести комплексирование карт опасности столкновения с воздушными судами, земной поверхностью и проникновения в метеообразования в единую карту опасности на основе следующего функционала Vs = Е [STCAS VEGPWS » Vwns) (З -4)
Вид функционала Vz должен выбираться в строгом соответствии с объемом достоверной информации о свойствах используемых локальных оценочных функций VTCAS EGPWS V\VRS- Часто в качестве подобной комплексной оценки используется аддитивная свертка V2 = k{VTCAS + k2WEGPWS + k3VWRS, (3.5) или мультипликативная свертка локальных оценочных функций V = (Уж fl (VEGPWS Y2 (VWRS )h, (3.6) где ki, k2, кз - показатели важности оценочных функций.
Однако, чтобы воспользоваться выражениями (3.5), (3.6), оценочные функции VTCAS, VEGPWS VWRS ДОЛЖНЫ удовлетворять двум требованиям [17]: оценочные функции должны быть независимыми по предпочтению (по степени опасности); возможна компенсация уменьшения значений одних оценочных функций за счет сколь угодно большого увеличения значений других.
Формирование множества программно-аппаратных средств реализации ИВСОВО
Согласно методике построения ИВСОВО, изложенной по второй главе данной диссертации, завершающим этапом проектирования является реализация ИВСОВО в рамках существующей программно-аппаратной и коммуникационной среды. Рассмотрим, каким образом необходимо систематизировать средства оценки воздушной обстановки, существующие вычислительные и коммуникационные модули, чтобы сформировать функционально и структурно полный класс структурированных вариантов ИВСОВО.
Средства оценки воздушной обстановки, согласно сформулированным требованиям функциональной и структурной полноты, должны включать источники информации, выдающие карты опасности столкновения с подстилающей поверхностью, другими участниками воздушного движения и проникновения в метеообразования. При этом условие функциональной полноты оказывается достаточным и с точки зрения структурной полноты, если используется концепция функциональной децентрализации БРЭО, когда для реализации каждой функции последнего используется специальное устройство. Данным требованиям удовлетворяют системы GPWS, ТС AS и WRS (метеорадар). Как было показано, применение COTS-элементов имеет несомненные преимущества перед другими вариантами реализации. Современный рынок авионики предлагает модификации ТС AS различных производителей: С AS 67 А AC AS II (Allied-Signal), TCAS II (Rockwell Collins), MTCAS (Moving Terrain), TCAS 2000 (Bendix/King). Выбираем, исходя из соотношения цена/качество, оборудование фирмы Bendix/King (рис. 4.1).
Системы раннего предупреждения приближения к подстилающей поверхности СРППЗ (TAWS), соответствующие действующим и перспективным гражданскими авиационными стандартами, изготовляются фирмами Honeywell (MARK V), AlliedSignal (EGPWS 965-0976-XXX), Транзас Авиация (TTA-124).
Система предупреждения столкновения с землей ТТА-124 (рис. 4.2) разработана и изготовлена в соответствии с стандартом TSO-C151A и может быть установлена на всех типах гражданских самолетов и вертолетов.
При выборе метеорадара можно ориентироваться как на отечественные изделия, например, бортовой метеонавигационный радиолокатор «ГРОЗА», метеонавигационные бортовые радиолокационные станции МНРЛС-85, «Нева-242», так и на целую серию оборудования фирмы Bendix/King: RDR 2000, RDR 2100, RDR 2100VP. С целью унификации с системой ТС AS воспользуемся метеорадаром фирмы Bendix/King (рис. 4.3).
Рассмотрим теперь принципы формирования коммуникационной среды ИВСОВО. К числу таких принципов, наряду с условием обеспечения функциональной и структурной полноты, относится требование максимальной унификации используемого оборудования. Как уже отмечалось во второй главе большинство современных коммуникационных средств бортового оборудования объединено в матрицу ключевых открытых стандартных интерфейсов (KOSI-матрицу). Выберем из этой матрицы в качестве базового стандарта протокол
ARINC 429, совместимый с большинством используемых в ИВСОВО бортовых устройств. Применительно к выбранному протоколу сформируем структурно полный комплект интерфейсных устройств.
Протокол ARINC 429 объединяет несколько различных спецификаций, разработанных авиационно-транспортными компаниями и фирмами-изготовителями самолетов для цифровой системы передачи информации (DITS). Физической средой канала обмена служит витая пара проводников, соединяющая одиночный передатчик с одним или более приемниками. Спецификация определяет уровни напряжения, форму сигнала, размер слова и скорость передачи. Данные определены в виде 32 битных слов. Каждое слово состоит из 24 разрядов, содержащих фактическую информацию, и 8-ми битовой метки.
