Введение к работе
Актуальность работы. Авиационная транспортная система является одной из важнейших компонент транспортной системы России и вносит существенный вклад в развитие экономики страны. Одним из направлений повышения эффективности авиационной транспортной системы является совершенствование системы организации и управления воздушным движением, базирующееся на внедрении концепций автоматического зависимого наблюдения и Free Flight - «свободный полет», основанных на принципах зональной навигации.
Концепция «свободный полет» позволяет воздушному судну выполнять полет по выбираемой экипажем оптимальной для данных условий воздушной обстановки траектории при взаимодействии с другими воздушными судами и объектами системы управления воздушным движением. При этом появляется возможность более эффективного использования структуры воздушного пространства, повышения экономичности и надежности функционирования авиационной транспортной системы, что позволит сократить расходы её эксплуатантов. Это определяет высокие требования, предъявляемые к качеству навигационно-временного обеспечения воздушных судов -основных объектов авиационной транспортной системы.
Согласно существующей концепции автоматического зависимого наблюдения повышение точности определения навигационно-временных параметров воздушных судов при зональной навигации предполагается обеспечить путем использования спутниковых систем навигации. Существующие спутниковые системы навигации второго поколения создают достаточно точное глобальное навигационно-временное поле, что позволяет решать основные задачи самолетовождения на воздушных трассах и в зоне аэродромов с требуемым уровнем безопасности полетов. Между тем, спутниковые системы навигации имеют ряд существенных недостатков, - низкая помехозащищенность, нарушения целостности навигационного обеспечения, неудовлетворение требованиям по эксплуатационной готовности и непрерывности обслуживания и др., которые не позволяют использовать их в качестве основных навигационных систем в зонах отсутствия наземных средств управления воздушным движением при высокой плотности воздушного движения, а также при решении задач посадки.
Известными способами повышения точности и надежности навигационного обеспечения воздушных судов является комплексирование навигационных измерителей и совершенствование алгоритмов обработки информации.
Системный анализ особенностей построения и функционирования авиационной транспортной системы показывает, что современный интегрированный бортовой комплекс связи и навигации образует сложную нелинейную стохастическую динамическую систему переменной структуры. Вопросы системного анализа функционирования сложных динамических систем подробно рассмотрены в работах Блауберга И.В., Волковой В.Н., Мухопада Ю.Ф., Садовского В.Н. и др. Используемые в диссертации теоретико-методологические посылки информационного анализа и синтеза интегрированных систем связи и навигации систематизированы в работах Болдина В.А., Марюхненко B.C., Скрыпника О.Н. Алгоритмы комплексной обработки информации основываются на положениях научной теории оптимального построения интегрированных систем развитых в рамках ведущих научных школ Российской Федерации под руководством Тихонова В.И., Харисова В.Н. и Ярлыкова М.С. Оптимизация условий навигационного сеанса основывается на методах теории оптимального управления
системами, описанных в работах Воронова А.А., Красовского А.А., Сейджа Э.П., Тя-тюшкина А.И., Уайта Ч.С. и др.
Комплексное исследование вопросов навигационно-временного обеспечения воздушных судов показало, что для повышения точности определения координат необходимо дополнение глобального навигационно-временного поля, образованного спутниковой навигационной системой, локальным навигационно-временным полем, свободным от недостатков спутниковой навигации. В локальном навигационно-временное поле взаимодействующие объекты определяют свои координаты и одновременно выполняют функции навигационных опорных точек.
Для организации взаимодействия объектов в локальном навигационно-временном поле в перспективных комплексах бортового оборудования самолетов гражданской авиации предполагается использовать систему обмена данными, работающую в режиме многостанционного доступа с временным разделением каналов. Такая система обмена данными позволяет одновременно с осуществлением информационного обмена измерять дальности между взаимодействующими объектами авиационной транспортной системы (воздушными судами, наземными пунктами и т.д.) беззапросным псевдодальномерным методом и определять их местоположение. При этом точность определения координат воздушных судов будет в значительной степени зависеть от условий навигационного сеанса, прежде всего их взаимного положения и погрешностей определения собственных координат источниками информации.
В связи с этим актуальной задачей является разработка алгоритмов комплексной обработки информации и управления взаимным положением динамичных объектов авиационной транспортной системы с целью оптимизации условий навигационного сеанса в интересах повышения точности навигационного обеспечения различных этапов полета воздушных судов, включая этапы захода на посадку и посадки.
Объектом исследования являются интегрированные системы связи и навигации воздушных судов гражданской авиации на основе комплексной системы навигации и синхронной системы обмена данными.
Область исследования - алгоритмы комплексной обработки навигационной информации и управления взаимным положением объектов авиационной транспортной системы.
Цель работы - повышение точности навигационного обеспечения воздушных судов путем применения алгоритмов комплексной обработки информации и оптимального управления взаимным положением объектов авиационной транспортной системы.
Задачи исследований:
Системный анализ проблем навигационного обеспечения подвижных объектов авиационной транспортной системы в условиях реализации концепций автоматического зависимого наблюдения и «свободный полет»;
Разработка математической модели подсистемы локальной навигации в составе интегрированного бортового комплекса связи и навигации;
Разработка критериев оптимизации условий навигационного сеанса;
Разработка алгоритмов комплексной обработки навигационной информации для подсистемы локальной навигации;
Разработка алгоритмов оптимального управления положением объектов авиационной транспортной системы для подсистемы локальной навигации;
6. Выполнение численного эксперимента по исследованию точностных характеристик подсистемы локальной навигации при решении задач самолетовождения и посадки с использованием синтезированных алгоритмов.
Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы методы системного анализа, теории вероятностей и случайных процессов, статистического анализа и синтеза сложных систем, теории оптимальной фильтрации, теории оптимального управления, прикладные методы функционального анализа, методы матричного исчисления, методы имитационного статистического моделирования.
Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы основана на адекватной постановке задач и корректном использовании применяемого математического аппарата, соответствии математических моделей навигационных измерителей, входящих в состав подсистемы локальной навигации, реальным физическим процессам, исследованным с помощью натурных экспериментов, согласованности полученных при проведении исследований частных результатов с положениями теории радионавигации и результатами, полученными ранее другими авторами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
На основе системного анализа проблемы повышения точности навигационного обеспечения объектов авиационной транспортной системы впервые предложена оптимизация условий навигационного сеанса;
Предложена методика оценки влияния переменных условий навигационного сеанса на точность определения координат объектов в подсистеме локальной навигации;
Синтезирован алгоритм комплексной обработки навигационной информации, получаемой при взаимодействии объектов авиационной транспортной системы применительно к локальному навигационно-временному полю;
Синтезированы алгоритмы повышения точности навигационного обеспечения путем оптимального управления взаимным положением объектов авиационной транспортной системы.
Предложены конфигурация и состав навигационных опорных точек относительно взлетно-посадочной полосы для обеспечения категорированной посадки с использованием системы локальной навигации.
На защиту выносятся следующие основные научные положения:
Способы оптимизации условий навигационного сеанса объектов авиационной транспортной системы для повышения точности навигационного обеспечения;
Методика оценки влияния переменных условий навигационного сеанса на точность определения координат объектов в подсистеме локальной навигации;
Алгоритм комплексной обработки навигационной информации при взаимодействии объектов авиационной транспортной системы в локальном навигаци-онно-временном поле;
Алгоритмы повышения точности навигационно-временных определений путем оптимального управления взаимным положением объектов авиационной транспортной системы на основе предложенных критериев оптимизации;
Размещение и состав навигационных опорных точек относительно взлетно-посадочной полосы для обеспечения категорированной посадки с использованием системы локальной навигации на основе системы обмена данными;
Результаты исследований характеристик повышения точности оценивания координат подвижных объектов авиационной транспортной системы в различных уело-
виях функционирования подсистемы локальной навигации при решении задач самолетовождения и посадки синтезированными алгоритмами. Практическая значимость работы:
Сформулированы рекомендации по организации взаимодействия объектов авиационной транспортной системы для достижения высокой точности навигационного обеспечения;
Определены состав и размещение навигационных опорных точек относительно взлетно-посадочной полосы для обеспечения категорированной посадки с использованием системы обмена данными;
Реализованы разработанные алгоритмы на уровне специализированного программного обеспечения бортовых вычислительных систем перспективных воздушных судов.
Внедрение результатов. Основные результаты и положения диссертационной работы внедрены в авиакомпании «ИрАэро», Иркутском филиале Московского государственного технического университета гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.
Личный вклад автора. Результаты диссертационной работы, выносимые на защиту, принадлежат автору, что подтверждено публикациями в научных изданиях. Из 7 работ по теме диссертации 2 написаны без соавторов. Автору принадлежат методика оценки влияния переменных условий навигационного сеанса на точность определения координат объектов, критерии оптимизации условий навигационного сеанса и алгоритмы оптимального управления взаимным положением объектов авиационной транспортной системы, а также результаты исследований точностных характеристик синтезированных алгоритмов комплексной обработки навигационной информации и оптимального управления.
Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались на секции «Радиоэлектронные комплексы и системы» XV Всероссийской НТК, ИВВАИУ(ВИ), г.Иркутск, 2007г.; секции «Современные проблемы радиоэлектроники и связи» VIII Всероссийской НТК аспирантов и молодых ученых, ИрГТУ, г.Иркутск, 2009г.; секции «Авиационное радиоэлектронное оборудование» І НПК преподавателей , научных работников и аспирантов, ИФ МГТУ ГА, г.Иркутск, 2009г.; ежегодных научно-технических семинарах кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2009 - 2010 гг., ежегодных научных семинарах Иркутского ВВАИУ в 2007 - 2009 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ в российских научных журналах и других изданиях, в том числе 3 статьи опубликованы в изданиях, определенных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка. Основная часть диссертации изложена на 143 страницах машинописного текста, в числе которых 41 рисунок и 6 таблиц. Библиографический список включает 139 наименований. Общий объем работы 157 страниц.
