Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Постановка задачи исследования 12
1.1 Автоматическая посадка самолета 12
1.4.1 Процесс автоматической посадки самолета 12
1.4.2 Требования к точности автоматической посадки 14
1.2 Радиомаячные системы посадки летательного аппарата 16
1.3 Выбор структуры навигационной системы для автоматической посадки 19
1.4 Программа исследования 30
ГЛАВА II. Формирование математических моделей навигационной системы 33
2.1 Математическая модель полета летательного аппарата 33
2.2 Система наблюдения летательного аппарата 37
2.2.1 Структура и модель системы наблюдения 37
2.2.2 Модель системы наблюдения 39
2.3 Математические модели подсистем НС 42
2.3.1 Модели инерциальной навигационной системы (ИНС) и радиовысотомера 42
2.3.2 Модель глобальной спутниковой навигационной системы 51
2.4 Алгоритм оценки координат и ориентации ЛА 56
ГЛАВА III. Анализ алгоритмов обработки изображений 62
3.1 Структура общего алгоритма наблюдения 62
3.2 Оценка точности определения положения ЛА по изображениям подстилающей поверхности 68
3.3 Расчет размеров ЭИ 78
3.3.1 Аналитический расчет размеров изображений 79
3.3.2 Моделирование процесса сравнения изображений 82
3.4 Оценка работоспособности алгоритмов обработки изображений 86
3.4.1 Проверка работоспособности алгоритмов обработки изображений 86
3.4.2 Результаты эксперимента и их анализ 90
ГЛАВА IV. Оценка работоспособности навигационной системы 93
4.1 Моделирование процесса посадки ЛА 95
4.2 Варианты моделирования и исходные данные 98
4.3 Результаты моделирования 103
4.4 Определение условий реализации автоматической посадки 115
Заключение 118
Список литературы 119
- Радиомаячные системы посадки летательного аппарата
- Математическая модель полета летательного аппарата
- Оценка точности определения положения ЛА по изображениям подстилающей поверхности
- Варианты моделирования и исходные данные
Введение к работе
Актуальность проблемы.
Посадка самолета является одной из наиболее важных и сложных задач самолетовождения. Из-за сложности и опасности этого этапа в процессе захода на посадку происходит около половины всех авиакатастроф. Быстротечность режимов посадки и неизбежный дефицит времени на принятие решения повышает нервно-психологическую нагрузку летчика, что в ряде случаев приводит к появлению ошибок летчика и снижению уровня безопасности полета. Поэтому даже при нормальных метеоусловиях выполнять успешную посадку может только опытный летчик.
Реализация режима автоматической посадки самолета позволит не только обеспечить выполнение полетов независимо от погодных условий, но и повысить степень безопасности полета, поскольку автоматизация уменьшает вероятность возникновения субъективных ошибок летчика во время принятия решения и выполнения управляющих действий. Следует также отметить важность реализации режима автоматической посадки в аварийных ситуациях, когда, например, пилот не в состоянии управлять самолетом.
Существует ряд методов, при помощи которых во время посадки можно определять навигационные параметры самолета. Однако, эти методы либо неавтономны, т.е. требуют наличия связи со вспомогательными системами, находящимися на Земле, либо автономны, но требуют особых условий для выполнения необходимых операций по определению навигационных параметров. К первым относятся радиомаячные системы посадки, ко вторым - автономные навигационные системы. Естественно, что полностью автономные методы определения навигационных параметров были бы наиболее целесообразны. В последнее время особенно большое внимание стали уделять развитию таких автономных навигационных систем (НС). В частности, в ряде работ рассматриваются структуры навигационных систем, основанных на инерциальных навигационных системах (ИНС), с использованием систем наблюдения (СН) земной поверхности, например, рассмотрен следующий вариант структуры навигационной системы: ИНС, GPS-приемник, радиовысотомер, СН Показано, что данные структуры позволяют повысить точность навигационных измерений и могут быть использованы при автоматической посадке самолета. В то же время в этих работах не рассматривается ряд важных вопросов, например, таких как:
оценка потенциальной точности работы подобных навигационных систем в
режиме автоматической посадки гражданского самолета на аэродром,
необорудованный радиомаячными системами; соответствие точности навигационной системы регламентированной точности
категорированной посадки.
Практическая важность и недостаточная теоретическая проработка перечисленных проблем определили B^bgj!^ JMUkLj іДИ(ІЩ'1,ции и направление
БИБЛИОТЕКА 3 СЯ* О»
исследовании.
Цель работы
Основной целью исследований является оценка потенциальной точности работы навигационной системы в режиме автоматической посадки гражданского самолета на аэродром, не оборудованный радиомаячными системами в соответствии с регламентированными точностями категорированной посадки.
В результате исследований должны быть определены:
требования к НС, включающей ИНС, GPS-приемник, радиовысотомер, СН, позволяющие обеспечить посадку самолета на необорудованный аэродром в дневное время суток;
категории автоматической посадки, которые потенциально позволяет обеспечить рассматриваемая НС.
Методы исследования.
В работе использованы методы математического моделирования, теории вероятностей, математической статистики, компьютерного зрения.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана методика исследования точности работы НС, включающую ИНС, GPS-приемник, радиовысотомер (РВ) и систему наблюдения (СН). Методика основана на математическом моделировании процесса посадки самолета и сравнении получаемых оценок параметров полета с фактическими.
Разработана методика определения требований к НС, обеспечивающих автоматическую посадку, включающая:
оценку возможности измерения навигационных параметров полета самолета с заданной точностью;
определение требований к алгоритмам вычисления навигационных параметров.
3. Показано, что при определенных условиях рассматриваемый вариант НС
потенциально позволяет обеспечить посадку самолета в дневное время суток:
в боковом направлении - в соответствии с категорией III;
в вертикальном направлении - в соответствии с категориями I и П.
Достоверность результатов.
Достоверность результатов, полученных в работе, подтверждается сопоставлением полученных данных с результатами исследований других авторов, математическим моделированием процесса посадки (около 3500 реализаций), математическим и полунатурным моделированием процесса измерений навигационных параметров.
Практическая ценность.
Практическая ценность результатов работы заключается в том, что определены требования к характеристикам НС, которые позволяют повысить безопасность процесса посадки самолета и показана возможность использования для этой цели рассматриваемого состава аппаратуры, структуры и алгоритмов навигационной системы.
Апробация работы и публикации.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной конференции «UKC-2002», г. Сеул, Республика Корея, 2002 г., XII Международном научно-техническом семинаре «Труды», г. Алушта, Украина, 2003 г., Международной конференции «Авиация и космонавтика-2003», г. Москва, Россия, МАИ, 2003 г., Научной конференции «Содружество», г. Москва, Россия, 2003 г., 16-ом Симпозиуме IFAC по автоматическому управлению в аэрокосмических системах, Санкт-Петербург, Россия, 2004 г. и на научно-технических семинарах кафедры 704 МАИ в 2002 - 2004 г.
Структура и объем работы.
Радиомаячные системы посадки летательного аппарата
В настоящее время рассмотренные выше регламентированные точности обеспечиваются в основном радиомаячными системами, В соответствии с общими сведениями, описанными в работе «Радионавигационные системы аэропортов» [21], радиомаячная система (РМС) посадки ЛА представляет собой единый радиотехнический комплекс наземных и бортовых устройств, дополняемый необходимым диспетчерским оборудованием, а также светотехническими средствами, маркирующими ВПП и подходы к ней. Радиотехническая часть системы обеспечивает выдачу экипажам снижающихся ЛА (и беспилотным ЛА) непрерывной информации о положении ЛА относительно заданных курсового направления (канал курса) и траектории снижения (канал глиссады), а также периодической информации (в двух или трех точках) о расстоянии до начала ВПП, т.е. до торца ВПП со стороны подлета (маркерный канал). Наземная часть аппаратуры каналов курса, глиссады и маркерного канала для одного направления посадки состоит из курсового, глиссадного и двух (трех) маркерных радиомаяков. Курсовой и глиссадный радиомаяки представляют собой посадочные радиомаяки, предназначенные для задания определенных, заранее выбранных направлений в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Направления задаются в виде узких зон в пространстве, создаваемых электромагнитными полями определенной конфигурации. Радиомаяки, задающие направления в горизонтальной плоскости, называются курсовыми, а в вертикальной - глиссадными. Маркерный радиомаяк представляет собой передающее устройство с антенной, излучающей энергию вверх. Маяки этого типа имеют узкую конусообразную диаграмму направленности в вертикальной плоскости и служат для обозначения места его установки. Бортовая аппаратура каналов курса, глиссады и маркерного канала представляет собой соответственно курсовой, глиссадный и маркерный радиоприемники. Положение ЛА относительно курсовой плоскости и глиссады индицируется при помощи стрелочного индикатора положения, имеющего горизонтальную (курсовую) и вертикальную (глиссадную) стрелки. Момент пролета самолетом пунктов установки маркерных радиомаяков фиксируется пилотом на слух с помощью головных телефонов, звонка и визуально с помощью мигающей лампочки. Каждый маркерный радиомаяк в пределах одной посадочной системы обозначается индивидуально кодированием излучения (точки, тире и их комбинация). Следует отметить, что в некоторых комбинированных посадочных системах предусматривается введение дальности до начала ВПП и поэтому необходимость в маркерных радиомаяках в таких системах посадки отпадает. По соображениям техники безопасности курсовой радиомаяк (КРМ) и глиссадный радиомаяк (ГРМ) размещают на некотором расстоянии от ВПП: КРМ устанавливают точно на продолжении оси ВПП на расстоянии 400-1100 м от конца ВПП; ГРМ обычно располагают по отношению к ВПП на стороне, противоположной командно-диспетчерскому пункту (КДП), и смещают на 200 450 м от начала ВПП (в зависимости от выбранного угла наклона глиссады) и на 120-180 м от оси ВПП. Маркерные радиомаяки располагают на продолжении оси ВПП: дальний маркерный радиомаяк (ДМРМ) и ближний (средний) маркерный радиомаяк (БМРМ) располагают обычно на дальней и ближней приводных радиостанциях соответственно. Пограничный (ближний) маркерный радиомаяк (ГТМРМ) располагают на расстоянии примерно 75 м от начала ВПП. Если взлетно-посадочная полоса имеет два направления посадки, то должен быть установлен второй комплект аналогичных радиомаяков, расположение на местности которых симметрично расположению соответствующих радиомаяков первого комплекта [21,22]. Рассмотрим основные определения, относящиеся к посадке самолетов по приборам (рис. 1.2). Курсовой и глиссадный радиомаяки системы непрерывно обеспечивают задание плоскости курса, совпадающей с осью ВПП, и плоскости глиссады (планирования), пересечение которых дает линию планирования (глиссаду) или наклонную линию курса, составляющую с горизонтальной плоскостью, содержащей ВГШ, угол планирования (угол глиссады)
Математическая модель полета летательного аппарата
В результате работы интегрированного алгоритма оценки в процессе посадки должны вычисляться следующие навигационные параметры: местоположения ЛА относительно ВПП и его скорости; параметры Родрига-Гамильтона (кватернионы) или угловые параметры ориентации: углы рыскания, тангажа, крена; систематические ошибки акселерометров, гироскопов и радиовысотомера. Формирование моделей для исследования посадки ЛА имеет ряд специфических особенностей. Известно, что при посадке ЛА снижается по глиссаде, и математическая модель этого полета при посадке ЛА описывается уравнениями движения центра масс и уравнениями движения вокруг центра масс на основе данных и аэродинамических коэффициентов. Эта модель состоит из динамических и кинематических уравнений движения ЛА. Случайные возмущения (скорость ветра и вариация плотности атмосферы) должны учитываться при вычислении аэродинамических сил и моментов, которые действуют на ЛА во время посадки. Моделируемая система датчиков должна состоять из: датчиков ускорений и гироскопов, установленных в соответствии с направлениями осей моделируемой навигационной системы координат, радиовысотомера и бортовой аппаратуры наблюдения, принимающей изображения подстилающей поверхности Земли. Если рассматривается случай с использованием данных, полученных от СНС, то предполагается, что в НС установлен многоканальный приемник спутниковой системы GPS. Все датчики моделируются с истинными значениями и собственными погрешностями бортовых датчиков. Основная сложность проводимых исследований состоит в том, что на этом этапе не определены основные параметры системы наблюдения, принимающей и обрабатывающей изображения поверхности Земли в режиме посадки самолета. В частности, при приеме и обработке избыточно больших фрагментов изображений, они не смогут быть обработаны в реальном времени. Таким образом, в процессе подготовки математического моделирования посадки самолета необходимо определить область существования параметров СН, обеспечивающих работоспособность системы, С учетом вышеизложенного предлагается следующая методика исследования точности работы НС с учетом известных характеристик ИНС, СНС, РВ и неизвестных характеристик СН: 1. Формирование модели ЛА; 2. Формирование моделей подсистем НС; 3. Определение параметров, обеспечивающих работоспособность СН; 4. Моделирование полета ЛА в режиме посадки с различными начальными условиями; 5. Определение точности оценки параметров полета ЛА с помощью НС; 6. Определение условий наблюдения, обеспечивающих категорированную посадку ЛА. 2. Формирование математических моделей навигационной системы Для исследования навигационной системы (НС), которая предназначена для автоматической посадки ЛА, в первую очередь необходимо сформировать модели полета ЛА и НС, обеспечивающей заданную точность автоматической посадки ЛА. В этой главе рассматривается формирование моделей полета ЛА, математические модели различных подсистем НС и алгоритм оценки координат и ориентации ЛА.
Обычно полет ЛА рассматривают как движение в пространстве абсолютно жесткого тела, имеющего шесть степеней свободы. Такое предположение при решении большинства задач не приводит к большим погрешностям [38,39,40]. При составлении уравнений движения ЛА используют общие законы механики, позволяющие в самом общем виде записать уравнения движения центра масс аппарата и уравнения его вращательного движения вокруг центра масс [38,39,40,41,42].
Исходные уравнения движения вначале записывают в векторной форме, после чего переходят к обычной скалярной записи уравнений, проектируя векторные уравнения на некоторую систему координатных осей. Полученная система скалярных уравнений может иметь различный вид в зависимости от того, какой системой координат пользуются при описании движения ЛА. В данной работе динамические уравнения движения центра масс ЛА записывают в скоростной системе координат.
Оценка точности определения положения ЛА по изображениям подстилающей поверхности
Графики слева соответствуют вероятностям (3.4), полученным в результате моделирования. Как видно из приведенных графиков, в более 85% реализаций правильное совмещение реализуется при выполнении условия n nmin, а ошибка совмещения происходит при условии п nmin. Таким образом, результаты сравнительного анализа полученных вероятностей показывают, что полученное аналитическое выражение (3.3) может быть использовано для предварительного расчета размеров изображений. Оценка работоспособности алгоритмов наблюдения может проводиться на основе математического, полунатурного и натурного моделирования процесса наблюдения. Известно, что математическое моделирование принимаемых изображений позволяет в широких пределах изменять условия наблюдения, однако в математических моделях сложно учитывать некоторые особенности этого процесса, в частности, изменения изображений при моделировании полета ЛА. Проверка работоспособности алгоритмов обработки изображений В настоящем разделе проверка работоспособности АОИ проводится с использованием методов полунатурного моделирования, которые позволяют более полно учитывать особенности реального процесса наблюдения. Для этого видеоинформация, используемая в качестве текущих изображений (ТИ), формируется ТВ-камерой, которая принимает изображения 3-х мерного макета участка местности. Целью данного исследования является проверка работоспособности частных алгоритмов обработки изображений. Результаты исследований должны подтвердить возможность оценки координат наземных ориентиров с заданной точностью с помощью выбранных алгоритмов обработки изображений, т.е. при выбранной структуре общего алгоритма наблюдения. Эксперименты проводились с использованием оборудования авиационного тренажера КТС-16. В состав тренажера входят: кабина самолета с органами управления и приборным оборудованием; вычислитель динамики полета (математической модели) самолета и навигационных параметров; панорамная ТВ система «Триоскоп»; макет местности и взлетно-посадочной полосы (ВПП) с ТВ - камерой; имитаторы радиолокационной системы (РЛС), теплопеленгатора (ТП), системы автоматического управления (САУ), радиотехнической системы ближней и дальней навигации (РСБН, РСДН); пульт инструктора. В процессе имитации полета ЛА ТВ - камера перемещается (в соответствии с параметрами траектории) над макетом местности и получаемая видеоинформация поступает на мониторы в кабине летчика и пульте инструктора. Методика оценки работоспособности АОИ моделирование посадки ЛА на тренажере с запоминанием информации об условиях полета; прием видеоинформации (изображений местности) с помощью тренажерной аппаратуры наблюдения; перевод видеоинформации, полученной в процессе посадки, в цифровую форму (для дальнейшей компьютерной обработки ТИ); улучшение качества полученных изображений, выбор ЭИ; оценка относительных координат ТИ и ЭИ; уточнение оценок координат и ориентации ЛА с целью корректирования БИНС с использованием полученных оценок от системы наблюдения и данных от радиовысотомера; оценка работоспособности системы наблюдения на основе полученных данных. В рамках данной методики было совершено 12 полетов с посадкой ЛА. В качестве опорной выбирались траектории, наиболее близкие к идеальной. На отдельных (предварительно обработанных) кадрах в различных точках опорной траектории посадки выбирались фрагменты изображений местности -ЭИ (рис. 3.12).
Варианты моделирования и исходные данные
Увеличение количества наблюдаемых ориентиров до 3 приводит к повышению точности оценок навигационных параметров. Минимальное влияние данный параметр оказывает на точность измерения высоты полета ЛА, угла рыскания, угла наклона траектории. Дальнейшее увеличение количества ориентиров практически не влияет на точность измерений.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: 1. Повышение частоты выдачи информации от СН свыше 10 Гц нецелесообразно, т.к. не приводит к существенному повышению точности оценок; 2. Угол установки бортовой аппаратуры наблюдения 6 = 90 является наиболее эффективным в рассматриваемом диапазоне условий применения СН в составе НС; 3. Увеличение количества наблюдаемых ориентиров больше 3 является неэффективным. 4.4. Определение условий реализации автоматической посадки На основании проведенных исследований можно выделить области условий, которые соответствуют требованиям к категорированной посадке. Данные, полученные в результате проведенных исследований, представлены в таблицах 4.13, 4.14. В них приведены общие условия, при которых возможна соответствующая различным категориям посадка. В таблице 4.13 представлены варианты условий наблюдения: радиусов корреляции изображений ориентиров и отношения сигнал/шум, а также соответствующие минимальные размеры ЭИ, необходимые для точного совмещения ЭИ и ТИ. Данные в этой таблице позволяют оценить возможность совмещения ЭИ и ТИ с ошибкой не более 5,5 пикселей. Превышение этой ошибки не гарантирует обеспечение требований по точности работы СН. Необходимо отметить, что радиус корреляции изображений ориентиров может заранее определяться по карте местности, а значение р должно оцениваться непосредственно по фактическим условиям наблюдения. При этом вариант 1 соответствует точности совмещения ДП - 0,5 пикселя, а вариант 4 - не хуже 5,5 пикселя. В соответствии с рекомендациями предыдущего раздела, будем считать, что угол установки аппаратуры наблюдения равен 90. В таблице 4.14 показаны категории посадки, которые могут быть реализованы, при различных условиях работы СН. В частности, по варианту 1 (из табл.4.14): при условиях, что обеспечивается точность совмещения ЭИ и ТИ - 0,5 пикселя, использованы 5 ориентиров и бортовой процессор позволяет реализовать алгоритм обработки изображений с частотой не менее 10 Гц, Таким образом, НС, включающая ИНС, РВ и СН, позволяет в реальном времени оценивать координаты ЛА в боковом направлении и по высоте, соответственно, с ошибкой 2ст [м]: 0,12 и 0,30 (на высоте 30 м); 0,42 и 0,64 (на высоте 15 м); 1,04 и 0,64 (на высоте 2,4 м), что соответствует категории III в боковом направлении и категории II - по высоте. Данные, приведенные в таблице, были выбраны на основе анализа результатов моделирования и проверки выполнения условий (1.1) к различным категориям посадки. На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы 1. Определены требования к навигационной системе, обеспечивающей автоматическую посадку самолета на аэродром, необорудованный радиомаячными системами. 2. Разработана методика исследования точности работы НС, включающей ИНС, СНС, РВ и СН, основанная на математическом моделировании режима посадки самолета при различных условиях и сравнении оценок и фактических параметров полета самолета. 3. Разработаны исследовательские модели и алгоритмы работы навигационных подсистем. 4. Разработана методика и получена аналитическая зависимость для расчета размеров эталонных изображений (ЭИ), требуемых для совмещения ЭИ и текущих изображений наземных ориентиров с заданной точностью. 5. Проведено моделирование работы исследовательской модели НС в составе: БИНС, GPS-приемник, РВ и СН с целью определения потенциальной возможности обеспечения автоматической посадки. 6. Разработана методика определения условий реализации автоматической посадки ЛА.
