CC BY
197
УДК 629.7.051.53
СОСТОЯНИЕ И РАЗВИТИЕ СИСТЕМ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЙ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
А.Н. АКИМОВ, В.В. ВОРОБЬЕВ, Е.В. МОЗОЛЯКО
По заказу редакционной коллегии
В статье рассматривается текущее состояние бортовых систем предотвращения столкновения воздушных судов, а также предложены частные подходы к построению оптимальных траекторий для разведения конфликтующих ЛА.
Ключевые слова: предотвращение столкновений, оптимальные траектории.
В настоящее время модернизация систем предупреждения столкновений обусловлена тем, что существующие системы не в состоянии справиться с возрастающими потребностями использования воздушного пространства. Необходимость согласования практики обслуживания воздушного движения с появлением большого числа частных малоразмерных летательных аппаратов (ЛА) или воздушных судов (ВС) требует чрезмерной нагрузки как на контролирующие органы УВД, так и на экипаж ВС. Эффективность разрешения конфликтных ситуаций и избежание столкновений между воздушными судами зависит от применения практически приемлемых схем и манёвров их предотвращения.
Использование системы предотвращения столкновений без участия экипажа, где разрешение конфликтной ситуации выполняется при условии автоматического управления при включенном автопилоте, должно обеспечить требуемый уровень безопасности полетов при увеличении интенсивности воздушного движения в соответствии с технологическими требованиями к манёвру разрешения конфликтной ситуации. Эти требования включают в себя минимальный по длительности S-образный манёвр увода судна с исходной траектории и возвращение воздушного судна на исходную трассу, а также прямолинейный участок выдерживания заданной продолжительности после расхождения воздушных судов. Требование также предусматривает минимальность суммарного времени пребывания маневрирующего судна в стороне от оси его трассы [4].
Для разрешения конфликтной ситуации выбирается одно воздушное судно, другое воздушное судно продолжает движение, не изменяя траектории полёта. При этом основное внимание уделяется кинематической стороне манёвров. Самолет рассматривается как кинематическая точка, движущаяся в пространстве, однако при этом учитываются ограничения по его скорости и ускорению.
1. Существующие системы предотвращения столкновений
В качестве примера можно указать на бортовые системы предотвращения столкновения типа TCAS. Основными задачами такой системы являются:
• обнаружение в окружающем воздушном пространстве всех потенциально опасных с точки зрения столкновений самолетов;
• определение относительного положения угрожающего самолета по дальности, высоте и азимуту;
• обработка и преобразование результатов измерений для отображения воздушной обстановки экипажу самолета в удобной для восприятия форме;
• оценка времени до момента возможного столкновения;
• определение целесообразных маневров уклонения от столкновения, а также моментов их начала и окончания;
• индикация экипажу самолета данных о воздушной обстановке и команд на выполнение маневров уклонения;
• доведение до экипажа конфликтного самолета информации о намечаемых действиях и взаимная координация маневров уклонения.
Концепция TCAS основана на использовании радиолокационных ответчиков, традиционно устанавливаемых на ВС для целей управления воздушным движением при помощи наземных вторичных радиолокаторов (Secondary Surveillance Radar SSR) УВД и целей опознавания государственной принадлежности ВС, дальномеров с ответчиками, бортовых РЛС и других средств. Роль источников информации о высоте полета и векторе скорости выполняют штатные бортовые средства: барометрические высотомеры, системы воздушных сигналов, инерциальные навигационные системы (Inertial Reference System 1RS, ADIRU). В последнее время стали появляться системы автоматического разведения конфликтных ситуаций по оптимальным траекториям с использованием спутниковых систем связи, навигации и систем зависимого наблюдения. Обработка данных производится или в специализированном вычислительном устройстве, входящем в состав системы, или в бортовых вычислителях, входящих в состав системы управления полётом (Flight Management System FMS). Для отображения измеряемых параметров и результатов их обработки в состав системы предотвращения столкновения включаются цифровые указатели дальности и других параметров полета. Отображение общей воздушной обстановки, получаемой от источников системы, может производиться на дисплеях, отображающих навигационную обстановку (Navigation Display ND). Логика, применяемая в TCAS, использует понятие уровня чувствительности (SL - Sensitivity Level) защищаемого объема, которое требует поддержания разумного соотношения между необходимой защитой от столкновений и нежелательными рекомендациями по маневрам уклонений (ложным тревогам). Это соотношение достигается путем управления уровнем чувствительности (SL) приемопередающих устройств. Чем больше уровень чувствительности, тем больше размеры защищаемого воздушного пространства вокруг ВС, оснащенного TCAS, и более высок уровень защиты от столкновений, однако при этом увеличивается и уровень ложных тревог. Размер защищаемого воздушного пространства, в свою очередь, управляет т - критерием, т.е. временем до подхода к точке пересечения маршрутов, выраженным в секундах и равным отношению дальности до точки пересечения к скорости сближения. В табл. 1 приведены значения: т - время TA, необходимое для полета до точки пересечения трасс, и тпр - время, необходимое для разведения (разрешения) конфликта [3].
Таблица 1
Значения порогов по высоте, на которых аппаратура ТСЛБ автоматически меняет БЬ
Высота, м Уровень чувствительности (SL) Значения т, тпр, С
ТА (т) RA(0
0-152 (AGL) 2 20 Нет
152-762 (AGL) 4 35 20
762-3048 (MSL) 5 40 25
3048-6096 (MSL) 6 45 30
Выше 6096 (MSL) 7 48 35
2. Случаи критического сближения самолётов
В конце мая 2012 года были обнародованы данные о трёх последних случаях критического сближения шести самолётов в небе над Москвой. Стало известно, что только за первый квартал 2012 года на самолётах в небе над Москвой 14 раз срабатывала система предупреждения об опасности столкновения TCAS. А за два весенних месяца в небе над столицей произошло сразу три опасных сближения самолётов, в то время как обычно столько инцидентов в среднем фиксируется за год (рис. 1).
с;
ю о
X
л
5
пз с о о
5
4
0
п
январь-март
апрель-июнь июль-сентябрь октябрь-декабрь
месяц
1
Рис. 1
Анализ отчётов по результатам авиационных событий с воздушными судами одного из крупнейших российских перевозчиков за 2012 год показал, что система TCAS, которой оборудован весь парк воздушных судов авиакомпании, шесть раз срабатывала в режиме RA (Resolution Advisory). Данная рекомендация требует немедленной реакции экипажа, следуя указаниям RA, ограничивает изменение траектории полета минимумом, необходимым для соблюдения рекомендаций по ликвидации угрозы столкновения. Как можно скорее, с учетом рабочей нагрузки, летный экипаж уведомляет соответствующий орган УВД о любой RA, которая требует отклонения от последнего указания или разрешения диспетчерской службы.
Чаще всего такие случаи приходятся на периоды, когда воздушная обстановка усложняется за счёт огромного количества рейсов, а следовательно, нахождение большого количества воздушных судов в определённой зоне воздушного пространства. Вероятность попадания в такую ситуацию напрямую зависит от загруженности трасс. Так, например, в июне 2012 года произошло четыре случая опасного сближения самолётов с интервалом в один день. Данные события рассматриваются как инцидент и подлежат тщательному расследованию, а также выявлению причин, приведших к опасной ситуации.
3. Формализованная постановка задачи
Пусть два летательных аппарата движутся по пересекающимся трассам на минимальном расстоянии друг от друга (рис. 2). Самолёт ЛА1 движется по трассе А со скоростью V. Второй самолёт ЛА2 совершает полёт по трассе B c постоянной скоростью V2, пересекающей трассу А под определённым углом. Зона безопасности ЛА1 ограничена сферой, перемещающейся вместе с самолётом. Маневр совершает ЛА2. Опасное сближение самолётов может произойти в зоне пересечения трасс с вероятностью, превышающей допустимый риск. Величина риска определяется радиусом зоны ограничения.
Рис. 2
В результате необходимого манёвра конфликтная ситуация разрешается, если минимальное расстояние между воздушными судами при их наихудшем сближении обеспечивается не менее заданного допуска, обеспечивающего безопасное эшелонирование. В основе такого манёвра лежит минимальное боковое отклонение от исходной трассы полёта в пределах разрешающего манёвра, структура которого регламентируется технологическими требованиями по управлению воздушным движением. Эти требования включают в себя минимальный по длительности Б-образный манёвр увода судна с исходной траектории и возвращение
воздушного судна на исходную трассу [3].
4. Разведение конфликтующих ЛА. Построение манёвра уклонения
Построение манёвра уклонения требует решения таких задач, как:
1) определение момента времени пересечения опасной траектории;
2) определение момента времени для начала выполнения заданного манёвра уклонения;
3) построение непосредственно самого манёвра уклонения, уход от области ограничения;
4) определение момента времени для возврата на заданный маршрут.
Пусть в нормальной земной системе координат положение ЛА1 и ЛА2 в пространстве характеризуется радиусами-векторами гх и г2, а также векторами абсолютных скоростей VI,У2 .
Положение одного летательного аппарата относительно другого будет определяться радиус-вектором Я =г2-гх. Вектор относительной скорости У12 = VI — У2. Тогда момент времени пересечения опасной траектории будет определять параметр максимального сближения самолётов
У12 X Я
х=1^. (1)
V 12
Время достижения максимального сближения самолётов
тшп = — х2 . (2)
У12
Работа алгоритмов и надёжность получаемых результатов для оценки конфликтной ситуации между летательными аппаратами напрямую зависит от состава и точности измеряемых параметров. Для определения момента времени начала выполнения манёвра, имеющиеся параметры дополним критериями по высоте И и Н2.
Началом выполнения заданного манёвра уклонения можно считать вторжение самолёта в защищаемую область воздушного пространства так называемого критерия вторжения. Из рис. 1 следует, что критерий обнаружения угрозы в простом случае, предполагающем, что манёвр самолётов отсутствует Vj и V2 = const, можно записать в виде
= Хч (3)
Vi V2
где Т - время, необходимое для обнаружения угрозы; rx и r2 - наклонная дальность.
Движение каждого ЛА определяется своей собственной системой дифференциальных уравнений со своими собственными управляющими параметрами. Под управляющим параметром понимается траектория движения ЛА2, который обходит защищённую область.
Пусть U(t) и V(t) - некоторые допустимые управления, а x(t) и xx (t) - соответствующие им траектории с начальными условиями. Если для некоторого t > 0 расстояние между ЛА становится равным радиусу защищённой зоны R, т.е. выполняется равенство
x (t р)-Xх (t p)= R, (4)
то t p является моментом разведения конфликтующих ЛА, а сам факт выполнения равенства -разведением [3].
Манёвр уклонения также можно построить, используя метод адаптивного выдерживания ограничений на компоненты вектора состояния динамической системы. Метод обеспечивает получение решений различных задач выдерживания заданных ограничений на компоненты вектора состояния динамической системы при различных способах задания ее математической модели; получение реализуемой траектории увода в фазовом и физическом пространстве от поверхности ограничения при заданном управлении ограничения; адаптивность к свойствам объекта, форме поверхности ограничения [1].
Ниже представлено решение для детерминированной линейной непрерывной динамической системы
X = A(t )x + B(t )u, (5)
где xe Xn;ue Um; A(t), B(t) - матрицы коэффициентов размером (nxn) и (nxm) в функции времени.
Для модели (1) алгоритм ограничения имеет следующий вид
u (t) ,если d > d ;
u = \ A / ч 7 7 (6)
u + Du (t) .если d £ d ,
огр \ / огр
где u огр имеет смысл предварительно выбранного управляющего воздействия, доверенного системе выдерживания ограничений, а
Du(t) обеспечивает текущую подстройку алгоритма к нерасчетным условиям функционирования динамической системы, зависимость для определения расстояния до поверхности ограничения d огр, при достижении которого необходимо включать управление
dozp = d% dp. (7)
Здесь
d = ax = a[A(t )x + B(t )u ]; (8)
d = a^[A(t)x + B(t)u] = a^ + A(t)A(t) x + ^ + A(t)B(t) u + B(t)u(9)
с1р = а
ал(1)
л
+ л(1 )л(1)
х +
¿в(1)
л
+ л(1 )в(1)
Д и (1 ) =
¿в (1)
ж
+ л (1 )в (1)
ал (1)
ж
+ л (1 )л (1)
(х(1) - х Ср).
(10) (11)
В случае если система (5) стационарна, то выражения (8), (10), (11) примут более простой вид
а = а(лх + Ви). (12)
¿р = ал(лх + ВиоГр). (13)
Ди(1 ) = В#л(х(1) - хср). (14)
Полученные выражения применяются при разработке алгоритмов для ограничения предельных режимов полёта ВС.
После получения реализуемой траектории увода дальнейшая задача будет заключаться в том, чтобы обойти область ограничения с заданным управлением и вернуться на исходный маршрут. Принципиально решение таких задач возможно с использованием методов оптимального управления (ОУ). Задачу оптимального управления рассмотрим в методе прямой оптимизации динамических систем [2].
Математическая модель может быть представлена в виде следующей динамической системы
| х = Г(х,у,1) (15)
[у = ¥(у.и.О ,
где векторы / и ¥ образованы множествами {/¡, /2, /3} и {¥2, ¥3} соответственно. Определяющая приращение вектора управлений Аи1к при интегрировании системы (15) "слева направо" (т.е. от момента времени до момента Ак) в пространстве сеточных функций будет выглядеть следующим образом
ДУ к =2 •
д ду
х.
-х(Гг)
Л
ДА
Ди =
д¥ ди
1 V
Ау^ Ы!>)
- ?(х 1 ,Уг А )
Л
(16)
■¥(уг ,и 1А)
где - в общем виде произвольная функция времени, определяющая интенсивность
формируемых управлений. Реализация схемы (16) гарантирует сходимость параметров опорной траектории к значениям краевых условий по координатам вектора состояния. Если условия задачи не требуют обеспечения сходимости по значениям производных вектора состояния и управлений, то процедура формирования опорного решения, определяемая системой (16), может считаться завершенной.
ЛИТЕРАТУРА
1. Акимов А.Н., Воробьев В.В. Особенности проектирования лёгких боевых и учебно-тренировочных самолётов. - М.: Машиностроение, 2005.
2. Акимов А.Н., Андреев В.В. Метод прямой оптимизации, основные положения и порядок применения.
- М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1997.
3. Марьин Н.П. Направление развития систем предупреждения столкновений // Новости навигации.
- 2007. - № 1.
4. Кумков С.И. Конфликтные ситуации в пространстве, маневр по вертикали // НИТА №39/2001 ИММ УрО РАН.
- Екатеринбург, 2002.
5. Кумков С.И. Алгоритмы разрешения конфликтной ситуации // Отчёт о научно-исследовательской работе НИТА №39/2001 ИММ УрО РАН. - Екатеринбург, 2002.
и
огр
#
#
#
STATUS AND DEVELOPMENT OF PREVENTING AIRCRAFT COLLISION SYSTEMS
Akimov A.N.,Vorobyev V.V., Mozolyako E.V.
This article discribs about present status and development of aircraft collision systems, as well as the construction of optimal trajectories for preventing dangerous proximity of aircraft.
Key words: prevention of collisions, optimal trajectories.
Сведения об авторах
Акимов Александр Николаевич, 1952 г.р., окончил ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (1984), доктор технических наук, профессор, заместитель директора по тренажерам ЗАО «Гражданские самолеты Сухого», автор более 90 научных работ, область научных интересов - активное обеспечение безопасности полетов воздушных судов.
Воробьев Вадим Вадимович, 1962 г.р., окончил Харьковское ВВАИУ (1985), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой безопасности полетов и жизнедеятельности МГТУ ГА, автор более 80 научных работ, область научных интересов - активное обеспечение безопасности полетов воздушных судов.
Мозоляко Евгений Владимирович, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2010), аспирант МГТУ ГА, область научных интересов - активное обеспечение безопасности полетов воздушных судов.
