Содержание к диссертации
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ 6
ВВЕДЕНИЕ 9
1. АНАЛИЗ СРЕДСТВ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВОЗДУШНОЙ
ОБСТАНОВКИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ 16
1.1. Описание основных моделируемых процессов 16
-
Задание и отработка плана полёта , 16
-
Динамика процесса движения отдельного ВС 19
1.1.3.Функционирование автопилота 21
-
Информационное взаимодействие ВС с центрами управления полётом 23
-
Процесс возникновения навигационных ошибок и их коррекция 24
1.1.6. Радиолокационное наблюдения 26
1.1.7.Оценка нарушения RNP 30
1.1.8.Исходные данные для моделирования 33
1.2. Сравнение возможностей существующих имитаторов
воздушной обстановки 34
1.3. Постановка задачи 41
Выводы по главе 44
2. КОНСТРУИРОВАНИЕ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ И
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИВО. 45
-.' *,'.-.;
2.1. Эволюция методов объектно-ориентированного анализа и
проектирования 45
2.2. Обзор современных методов проектирования параллельных
систем и систем реального времени 48
2.3. Выбор способа описания архитектуры 50
2.3.1.Универсальный язык моделирования 51
2.4. Модель процесса разработки 52
2.4.1. Сравнение жизненного цикла ИВО с другими процессами
разработки ПО 56
-
Сравнение жизненного цикла ИВО с USDP 56
-
Сравнение жизненного цикла ИВО со спиральной моделью 56
2.5. Моделирование требований 57
2.5.1.Моделирование прецедентов 57
-
Прецеденты общего управления ВС 58
-
Прецеденты Таймера 59
-
Прецеденты Управления Выделенным ВС 62
-
Прецеденты Настройки Модели 65
-
Прецеденты Загрузки Модели Из БД 66
-
Прецеденты Управления Моделированием 68
-
Прецеденты Изменения Полётных Данных 71
2.6. Разработка Аналитической модели 72
2.6.1. Статическое моделирование 73
-
Построение контекста классов ИБО. 73
-
Построение модели сущностных классов 76
-
Определение словаря классов 78
-
Начальное разбиение ИБО на подсистемы 79
-
Динамическое моделирование 80
2.6.3.1. Динамическое моделирование прецедентов управления
ВС 81
-
Динамическое моделирование прецедентов таймера 88
-
Динамическое моделирование прецедентов управления выделенным ВС 92
-
Динамическое моделирование прецедентов настройки модели 104
-
Динамическое моделирование прецедентов загрузки модели из БД 115
-
Динамическое моделирование прецедентов управления моделированием 117
-
Динамическое моделирование прецедентов изменения полётных данных 126
-
Разработка проектной модели 129
-
Структура алгоритма ИМ 133
2.8.1.Структура обобщённого алгоритма ИМ 133
2.8.2.Структура алгоритма обработки одного ВС 136
Выводы ПО ГЛАВЕ 138
ФОРМИРОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗЕЙ В ИМИТАЦИОННОЙ
МОДЕЛИ 139
3.1. Вычислительные методы 141
3.1.1.Практические приближённые способы аппроксимации 141
3.1.2.Кусочно-линейная интерполяция на разреженной сетке 142
3.1.3.Методы численного интегрирования 149
-
Классические методы 150
-
Двухканальный метод быстрого численного интегрирования 153
-
Метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке 157
3.1.4. Анализ производительности выбранных методов 159
3.2. Сопровождение воздушных судов 160
3.2.1.Имитация формирования сообщений системы АЗН 161
3.2.2.Отображение координатных отметок 165
3.3. Имитация полёта 165
3.3.1.Математические модели динамики полёта : 165
3.3.2. У равнения моментов , 166
3.3.3.Кинематические уравнения вращательного движения 167
3.3.4,Уравнения сил (ускорений) 168
-
Кинематические уравнения движения центра масс в нормальной земной СК 169
-
Уравнение динамики полёта 169
3.3.7.Расчёт элементов пространственного манёвра ВС 171
3.4. Прогнозирование траекторного движения ВС 173
3.4.1. Физическая интерпретация спирального движения 173
3.4.2.Изменение матрицы направляющих косинусов 175
3.4.3.Промежуточная СК , 175
3.4.4. Формулы для земных координат и скоростей 176
3.4.5.Достоинства спирального прогнозирования в ИВО.... 177
-
Имитация изменения курса 178
-
Формирование случайных реализаций траекторий движения
ВС 180
3.6.1.Полёт по маршруту без радиотехнических корректоров 180
3.6.2.Полёт по маршруту в зоне действия радиотехнических
корректоров 182
3.6.3.Алгоритм по формированию траектории полета ВС в зоне
коррекции , 186
3.6.4. Полёт по маршруту при выходе из зоны действия
радиотехнических корректоров , 188
3.6.5.Моделирование радиокорректоров типа РСБН, ДМЕ/ДМЕ,
приводных радиостанций (ПРС), спутниковой аппаратуры
потребителей GNSS 188
-
Оценка выполнения RNP 189
-
Анализ пгоизводительностимодели 191
3.8.1.Теория планирования в реальном времени 192
3.8.2.Планирование в реальном времени в ИВО 200
3.9. Программная реализация ИМ 203
Выводы по главе 204
4. ВАРИАНТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИВО 206
-
Проведение тестового моделирования на маршруте Москва-Екатеринбург 207
-
Проверка адекватности имитационной модели 209
4.3. Результаты проведённого тестового моделирования 212
Выводы по главе 213
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 214
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 217
ПРИЛОЖЕНИЕ! 225
5
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 242
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 270
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
под -
ПРЛ ПРС ПС РЖ РЛС РМД РПЛ РТС
сид -симплн -
СТАР
СУБД
УВД -ФС ЦП
CODARTS -
COMET -
DARTS
пункт обязательного донесения
первичный радиолокатор
приводная радиостанция
программное средство
радиолокационный комплекс
радиолокационная станция
рабочее место диспетчера
повторяющийся (стандартный) план полёта
радиотехнические средства
стандартная траектория для вылетающих ВС
имитированный план полёта одного ВС
система координат
стандартная траектория для прилетающих ВС
система управления базами данных
теория случайных процессов
управление воздушным движением
формуляр сопровождения
центральный процессор
concurrent design approach for real-time systems (методика
проектирования распределённых вычислительных систем
реального времени)
concurrent object modeling and architectural design method (метод
разработки приложений с архитектурой параллельных
вычислительных систем)
design approach for real-time systems (методика проектирования
вычислительных систем реального времени)
GNSS NRL
global navigation satellite systems (спутниковая система
глобального позиционирования и навигации)
naval research laboratory software cost reduction method (методика
военно-морского ведомства США по снижению расходов на
создание программного обеспечения)
группа компаний по разработке решений для объектного
проектирования (object management group)
ОМТ - object modeling technique (методика объектного моделирования)
required navigation performance (требуемые навигационные
характеристики)
UML - unified modeling language (универсальный язык моделирования)
unified software development process (унифицированный процесс USDP
разработки программного обеспечения)
WGS — world geodetic system (мировая геодезическая система)
Введение к работе
Актуальность работы. Постановлением Правительства РФ №144 от 22 февраля 2000 г. утверждена Концепция модернизации и развития Единой системы организации воздушного движения России. Концепция определяет пути эволюционного перехода от традиционной к перспективной федеральной аэронавигационной системе РФ на базе использования перспективных наземных, бортовых и космических средств и систем связи, навигации, наблюдения и организации воздушного движения CNS/ATM ИКАО,
Применение глобальных систем связи, навигации, наблюдения и линий передачи цифровых данных, объединяющих все элементы аэронавигационной системы в единый автоматизированный комплекс обуславливает необходимость использования методов моделирования при создании, сертификации и эксплуатации аэронавигационной системы, а также для оценки её эффективности [9]. Для увеличения эффективности воздушного движения необходима отработка организационных, тактических, технических и экономических решений путём использования перспективной современной моделирующей базы [35].
Разработка перспективного моделирующего комплекса позволит использовать математическое, имитационное и полунатурное моделирование для проведения перспективных и прикладных исследований процессов в системе ОрВД, в том числе: процессов и систем обслуживания (управления) воздушного движения; процессов и систем организации потоков воздушного движения; процессов организации воздушного пространства в целях обеспечения обслуживания (управления) воздушного движения и организации потоков воздушного движения.
Для полноценного функционирования такого моделирующего комплекса необходимы средства имитационного моделирования воздушной обстановки.
10 Необходимость в построении имитационной модели обусловлена как невозможностью создания адекватной математической модели воздушной обстановки, так и необходимостью изменения параметров модели в соответствии с аналогичным изменением этих параметров в реальной системе. Диссертационная работа и посвящена созданию программного средства, осуществляющего имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме при реальной загрузке в режимах реального и ускоренного масштаба времени, обеспечивая требуемую точность имитации при существенных ограничениях на ресурсы. Этим и определяется её актуальность. В мире существуют программные средства со схожей функциональностью, но они не удовлетворяют в полной мере всем требованиям поставленной задачи. Большинство зарубежных систем имитационного моделирования воздушной обстановки отличаются крайне высокими стоимостью и требованиями к аппаратному обеспечению при стандартном наборе функций, а системы, доступные для внедрения, отличаются весьма ограниченной функциональностью. В частности, к основным отличиям разработанного в диссертации имитатора воздушной обстановки от существующих аналогов, можно отнести имитационную модель воздушной обстановки с шагом моделирования воздушного движения 0.1 с, включающую блок имитации движения воздушных судов на всех этапах полёта и средств наблюдения, а также разработанный алгоритм формирования случайных реализаций траекторий воздушных судов при полёте по заданному маршруту, позволяющий производить оценку нарушений требуемых навигационных характеристик на трассах с параллельным формированием статистики о выполнении полётов по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом характеристик системы бортового оборудования и обеспечивающих радиотехнические средств.
Цель работы. Разработка программно-алгоритмического обеспечения для имитационного моделирования воздушной обстановки в составе МК ОрВД в
11 реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы.
Основные задачи, решаемые в данной диссертационной работе: анализ методов и средств моделирования воздушной обстановки с описанием их возможностей, позволивший сформировать набор функциональности для ИБО; создание имитационной модели, позволившей производить моделирование воздушной обстановки в заданном объёме в режиме реального и ускоренного масштаба времени обеспечивая требуемую точность имитации; проектирование и разработка программного средства, реализующего данную имитационную модель. Разработанная модель включает: *І* имитацию движения воздушных судов, что позволяет моделировать необходимое число ВС на всех этапах полёта (взлёт, движение по стандартной траектории для вылетающих ВС, движение по маршруту, движение по стандартной траектории для прилетающих ВС, посадка), включая прогнозирование траєкторного движения ВС и моделирование отклонений от курса с учётом: маршрута, определенного в плане полета (имитации), данных о метеообстановке, задаваемых при подготовке параметров моделирования, летно-технических характеристик имитируемых ВС, команд, вводимых диспетчерами и пилотами-операторами; имитацию средств радиолокационного наблюдения и радиокорректоров типа VOR/DME, РСБН, ПРС и GNSS с формированием данных о координатах ВС в нескольких основных системах координат; * имитацию формирования сообщений системы автоматического зависимого наблюдения, а также формирования запросов на информацию АЗН и отображение сообщений АЗН; имитацию воспроизведения процедур обработки информации о местоположении ВС, включая процедуры экстраполяции и интерполяции для отображения трека ВС и сопровождающей его информации; имитацию расчёта расхода топлива каждым ВС с возможностью вывода его остатка и ежеминутного расхода; оценку с использованием методов имитационного моделирования степени выполнения точностных характеристик при производстве полётов конкретных ВС по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих РТС с представлением точностных характеристик RNP; расчёт распределения суммарного времени, в течение которого ВС данного типа выполняет полёт по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом характеристик бортового оборудования и обеспечивающих РТС, вдоль маршрута полёта ВС с выделением наиболее опасных участков.
Методы исследования. При разработке имитационной модели использовались методы численного интегрирования (метод трапеций при кусочно - линейной аппроксимации на разреженной сетке), методы прогнозирования траєкторного движения (спиральное прогнозирование), методы перевычисления координат между различными координатными системами, элементы теории полёта и теории случайных процессов, методы математического и имитационного моделирования.
При проектировании и программной реализации ИБО использовались методы проектирования информационных систем реального времени, методы объектно-ориентированного и системного программирования.
Основные научные результаты: > имитационная модель, позволяющая осуществлять имитационное моделирование воздушной обстановки в требуемом объёме для моделирующего комплекса организации воздушного движения в реальном и ускоренном масштабе времени при существенных ограничениях на ресурсы; алгоритм формирования случайных реализаций траекторий воздушных судов при полёте по заданному маршруту, включающий этапы полёта без радиотехнических корректоров, в зоне действия радиотехнических корректоров и при выходе из зоны действия радиотехнических корректоров, особенностью которого является возможность реализации в условиях ограниченных ресурсов; подход к оценке степени выдерживания точностных характеристик RNP в реальном времени при производстве полётов конкретных воздушных судов по выбранной трассе с известным составом и дислокацией обеспечивающих радиотехнических средств.
Практическая значимость. Имитатор воздушной обстановки, спроектированный и реализованный в рамках данной диссертационной работы, является подсистемой созданного Московским авиационным институтом и ГосНИИ «Аэронавигация» комплекса моделирования процессов организации воздушного движения [43], являющегося основой экспериментальной базы, позволяющей использовать математическое, имитационное и полунатурное моделирование при проведении различных исследований в области ОрВД, начиная с вопросов моделирования воздушных потоков в конкретном районе и кончая вопросами стратегического и оперативного планирования воздушного движения [40, 71].
Основные практические результаты: > Спроектировано и реализовано программное средство, реализующее предложенную имитационную модель и позволяющее проводить полунатурное (в реальном времени) и ускоренное имитационное моделирование в автоматическом и ручном режимах с одновременной визуализацией воздушного пространства. Разработанное ПО является подсистемой созданного Московским авиационным институтом и ГосНИИ «Аэронавигация» моделирующего комплекса ОрВД.
14 ^ Произведено демонстрационное моделирование воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург с параллельным накоплением статистики по степени выдерживания точностных характеристик RNP. > комплекс был принят к эксплуатации ГОС НИИ "Аэронавигация", что подтверждается актом внедрения, а также продемонстрирован на выставке
АВИА-2004, где был награждён дипломом с медалью. Структура и объём работы.
В первой главе проводится описание основных процессов, отображение которых должно осуществляться в ИБО. Далее в данной главе проводится анализ наиболее распространенных комплексов, предназначенных для моделирования воздушной обстановки. Описываются основные функции систем, а также главные достоинства и недостатки. В конце главы, приводиться сравнение существующих имитаторов воздушной обстановки, таких как EUROCAT 2000, OASIS и CTAS, определяются необходимые задачи.
Во второй главе представлено конструирование имитационной модели и проектирование программного средства ИБО, производится выбор способа описания архитектуры модели и обоснование данного выбора (п. 2.3). После этого описывается метод разработки системы (п. 2.4), обосновывается выбор данного метода разработки, кроме того, производиться сравнение с другими популярными методами разработки (п. 2.4.1).
Далее в данной главе проводиться аналитическое моделирование (п. 2.6), строятся статическая и динамическая модели системы. С помощью статической модели описываются структурные отношения между классами предметной области, а для выявления объектов, рассматриваемых в аналитической модели, применяется метод разбиения на объекты. Далее рассматривается динамическая модель, где с помощью диаграмм состояний определяются объекты, зависящие от состояния. В завершение описывается проектное моделирование, а также приводится описание структуры алгоритма ИМ.
В третьей главе рассмотрены основные методы и алгоритмы, позволяющие создать математическую модель [21] и на её основе осуществить
15 имитационное и полунатурное моделирование [37, 46] в ИВО. В начале главы проводится анализ вычислительных методов, применяемых при разработке имитаторов движения ВС, на основе котрого осуществляется аргументированный выбор вычислительных методов, необходимых для реализации имитатора воздушной обстановки. Далее рассматриваются наиболее важные методы и алгоритмы, использваонные в ИВО:
Движение ВС на всех этапах полёта (взлёт, СИД, движение по маршруту, СТАР, посадка), а также прогнозирование траєкторного движения ВС и моделирование отклонений от курса (п.п. 3.3 - 3.6). > Формирование случайных реализаций траекторий движения ВС, для чего также моделируется работа станций радиолокационного наблюдения и радиокорректоров типа VOR/DME, РСБН, DME/DME, ПРС и GNSS (п. 3.6).
Непрерывная оценка нарушений RNP на трассах с параллельным формированием статистики о выполнении полётов по заданному маршруту вне пределов разрешённой полосы удержания в горизонтальной плоскости, определяемой выбранным типом RNP с учётом достижимых характеристик системы аэронавигации (бортовое оборудование и обеспечивающие РТС).
В завершение главы проводится анализ производительности построенной системы.
В четвёртой главе рассматривается варианты использования ПВО, проверяется адекватность построенной ИМ. Приводятся результаты тестового моделирования воздушного движения на маршруте Москва-Екатеринбург.
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка литературы из 84 наименований. Общий объём диссертации - 272 страницы машинописного текста, включает 106 рисунков, 8 таблиц и 3 приложения.
