CC BY
97
Soldatkin Vyacheslav Vladimirovich, doctor of technical sciences, docent, w-soldatkinamail. ru, Russia, Kazan, Kazan national research technical University named after A.N. Tupolev-KAI,
Nikitin Aleksandr Vladimirovich, candidate of technical sciences, master teacher, nikitin. rfamail. ru, Russia, Kazan, Kazan national research technical university named after A.N. Tupolev-KAI,
Ariskin Evgeny Olegovich, postgraduate, EOAriskin@kai. ru, Russia, Kazan, Kazan national research technical university named after A.N. Tupolev-KAI
УДК 629.051
АДАПТАЦИЯ НАВИГАЦИОННОГО КОМПЛЕКСА САМОЛЕТА ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ ПОЛЕТА В СИСТЕМЕ ТОЧНОЙ ЗОНАЛЬНОЙ НАВИГАЦИИ
В.В. Маркелов, А.В. Шукалов, М.О. Костишин, И.О. Жаринов, В. А. Нечаев
Для выполнения требований, предъявляемых спецификацией RNP-1, в целях получения допуска самолета к полетам в системе точной зональной навигации в европейском регионе в воздушном пространстве, осуществлена оценка характеристик бортового комплекса самолета и предложен ряд доработок его программно-математического обеспечения.
Ключевые слова: навигационный комплекс, полет, навигация, индикация.
Введение. Концепция требуемых навигационных характеристик RNP (Required Navigation Performance) определяется руководством по навигации, основанной на характеристиках ICAO Doc 9613 и включает в себя формализацию требований к навигационным характеристикам, которым должно удовлетворять воздушное судно в пределах некоторого района воздушного пространства в течение как минимум 95 % времени полета. RNP в целом определяется как уровень точности навигации, требуемый для поддержания воздушного судна в рамках заданного воздушного пространства [1, 2].
Выбор RNP для заданного района воздушного пространства определяется в зависимости от загруженности воздушного пространства, наличия препятствий и особых зон в районе полетов, наземной инфраструктуры радионавигационных средств, средств радиолокационного наблюдения и т.д. Типы RNP предписываются либо соответствующим государством, либо региональным аэронавигационным соглашением. Цель назначения
RNP — определение требуемых навигационных характеристик, позволяющих обеспечить в заданном районе повышение безопасности полетов, снижение нагрузок на экипаж и диспетчера, повышение качества информационного обеспечения экипажа, упорядочивание движения воздушных судов, и разгрузка района полетов, а также сокращение расхода топлива за счет оптимизаций траекторий полетов [3, 4].
Навигационная спецификация RNP в соответствии с руководством по навигации, основанной на характеристиках ICAO Doc 9613, детализирует требуемые от бортовой навигационной системы характеристики в виде точности, целостности, эксплуатационной готовности и непрерывности, устанавливает требования к функциональным возможностям навигационной системы и ее составу, а также определяет требования, предъявляемые к экипажу воздушного судна.
Навигационная спецификация RNP-1 находит применение в воздушном пространстве аэродромов, включая в себя этапы прибытия, вылета, захода на посадку до контрольной точки конечного этапа захода на посадку и этапы ухода воздушного судна на второй круг. Основные положения спецификации RNP-1 в соответствии с руководством по навигации, основанной на характеристиках ICAO Doc 9613, включают в себя
[1-4]:
- RNP-1 основана на определении местоположения самолета по информации спутниковой навигационной системы. Допускается использование инерциальной системы в качестве датчика определения координат в течение обоснованных периодов времени, когда автоматическое определение координат по спутниковой навигационной системе невозможно из-за отказов или прерывания радиосигнала;
- точность определения местоположения в горизонтальной плоскости должна составлять ±1 м. милю (1,85 км) в течение по крайней мере 95 % общего полетного времени в воздушном пространстве RNP-1;
- бортовой комплекс должен обеспечивать формирование предупреждения при превышении точностных характеристик определения местоположения величины 2 м. мили (3,7 км) и невозможности выполнения навигационной системой функций RNP-1. Неисправность бортового оборудования, используемого при полете в воздушном пространстве RNP-1, классифицируется как состояние серьезного отказа (то есть с вероятностью 10-5 в час);
- потеря функций, обеспечивающих полет в воздушном пространстве RNP-1, не должна влиять на возможность перехода на другую навигационную систему и последующее выполнение полета;
- бортовое оборудование должно обеспечивать индикацию бокового отклонения в объеме, позволяющем экипажу вести точный и непрерывный контроль за отклонением от заданной линии пути;
- должна быть обеспечена индикация заданной траектории движения самолета с учетом дуг разворотов и с погрешностью, обеспечивающей непринятие ее в расчет при определении величины отклонения самолета от заданной линии пути;
- должна обеспечиваться индикация справочной информации, позволяющей оценивать местоположения самолета относительно текущей и вспомогательных навигационных точек, а также позволяющей контролировать движение воздушного объекта по заданной траектории;
- бортовой навигационный комплекс должен обеспечивать самолетовождение в директорном и в автоматическом режимах полета по стандартным траекториям зональной навигации, применяемым в воздушном пространстве RNP-1;
- при полетах в воздушном пространстве RNP-1 должна использоваться информация из бортовой навигационной базы данных, содержащей опубликованную актуальную аэронавигационную информацию по маршрутам обслуживания воздушного движения и процедурам зональной навигации.
Для выполнения требований, предъявляемых спецификацией RNP-1, в целях получения допуска самолета к полетам в системе точной зональной навигации в европейском регионе в воздушном пространстве RNP-1, проведена оценка характеристик бортового комплекса самолета и предложен ряд доработок его программно-математического обеспечения.
Проведенные мероприятия и рекомендуемые доработки в части реализации выполнения бортовым комплексом функций, предъявляемых к бортовому оборудованию воздушного судна, допускаемому к выполнению полетов в воздушном пространстве RNP-1, включают в себя:
определение оборудования, используемого для полетов по правилам RNP-1;
формирование заданного вида индикации бокового отклонения; обеспечение индикации необходимой справочной информации; обеспечение точной индикации заданной траектории движения в горизонтальной плоскости;
обеспечение полетов в директорном и автоматическом режимах по траекториям зональной навигации;
обоснование использования бортовой навигационной базы данных.
Указанный состав мероприятий и рекомендуемых доработок является достаточным для обеспечения готовности бортового комплекса к допуску к полетам в системе точной зональной навигации RNP-1 в соответствие с руководством по эксплуатационному утверждению навигации, основанной на характеристиках ICAO Doc 9997.
Определение оборудования, используемого для полетов по правилам RNP-1. Оборудование, используемое для полетов по правилам RNP-1, входит в состав штатного оборудования самолета с дополнительно
установленным приемником спутниковой навигационной информации. В состав данного оборудования входят [5-9]:
спутниковая навигационная система (СНС); инерциальная навигационная система (ИНС); бортовая вычислительная система (БВС); многофункциональные цветные индикаторы (МФЦИ). Схема бортовой системы, используемой для полетов по правилам RNP-1, представлена на рис.1. Показатели функциональности, надежности и отказобезопасности указанного оборудования подтверждены соответствующими результатами испытаний. В качестве основной навигационной системы, предназначенной для обеспечения полетов по правилам RNP-1, используется СНС.
СНС обеспечивает измерение местоположения самолета и времени по информации спутнзжов созвездий ГЛОНАСС и GPS {Global Positioning System) с оценкой целостности и точности проводимых измерешш на основе количества и типа созвездия видимых спутшжов, а также определяемых геофакторов.
Рис.1. Схема бортовой системы для полетов по правилам RNP-1
Характеристики СНС соответствуют требованиям, сформулированным в Приложении 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. В частности, точность определения навигационных параметров СНС в горизонтальной плоскости с вероятностью 95%, составляет 13.. .44 м.
Погрешность определения местоположения, формируемая СНС, используется в БВС для расчета оценки точности определения местоположения самолета и контроля выдерживания точностных требований ЛДТРА. Для сохранения целостности информации о координатах местоположения
самолета при кратковременных потерях сигналов СНС от спутниковых систем, используется бесплатформенная инерциальная навигационная система (БИНС) на базе кольцевых лазерных гироскопов.
Функция изменения точностных характеристик определения координат БИНС в зависимости от времени, истекшего после перехода полета в автономный режим при потере информации от СНС, используется в БВС для расчета прогнозируемой точности определения местоположения самолета и контроля выдерживания точностных требований к полету по правилам ЖР-1.
БВС решает задачи обработки и формирования информации, необходимой для обеспечения полета по заданным траекториям в воздушном пространстве по правилам КНР-\, в том числе, задачи контроля и выдачи предупреждений.
Программно-математическое обеспечение БВС на основе расчетной точности определения местоположения, полученной по информации СНС, и прогнозируемой точности определения местоположения, вычисляемой по информации БИНС, определяет общую оценку текущей точности определения местоположения. Значение оценки текущей точности определения местоположения выводится на МФЦИ кабины экипажа [10-12]. При превышении ее значения величины 1,85 км формируется предупреждение о превышении заданных точностных характеристик.
При превышении значения оценки точности величины 3,7 км формируется сигнализация о невозможности выполнения навигационной системой функций полета по правилам КНР-1. МФЦИ обеспечивают экипаж необходимой визуальной, в том числе, и предупреждающей информацией, необходимой для пилотирования. В качестве основного навигационного индикатора, используемого при полете в воздушном пространстве КНР-1, используется индикатор навигационной обстановки.
Формирование индикации бокового отклонения для полетов по правилам ЯМР-1. Элемент индикации бокового отклонения как основной пилотажный компонент для навигации воздушного судна в горизонтальной плоскости при полете по заданной траектории выводится на экран МФЦИ, расположенного в основном поле зрения наблюдения [1-4].
Элемент индикации бокового отклонения включает в себя стрелку заданного путевого угла, определяющую заданное направление движения по траектории полета, и планку линейного бокового уклонения от заданной траектории, перемещающуюся по шкале бокового уклонения. Отображение индикатора бокового отклонения представлено на рис. 2, а.
При полете в районе воздушного пространства КНР-1 в районе аэродрома по маршрутам вылета, прибытия и захода на посадку, градуировка шкалы бокового уклонения от линии пути автоматически устанавливается таким образом, чтобы отклонение на полную шкалу составляло ±1,85 км.
а
ТЮТА 230°/ 19км То 00:02:05
УМ 555км/ч Уи 560км/ч
СНС 0.02км Т 09:12:44
б
Рис.2. Компоненты индикатора навигационной обстановки: а - индикатор бокового отклонения; б - окна индикации справочной информации
Величина бокового уклонения определяется как функция от заданной линии пути, координат текущей навигационной точки и текущего местоположения. Заданный путевой угол определяется заданной линией пути текущей траектории. Превышение бокового уклонения величины ±1,85 км приводит к срабатыванию системы сигнализации отклонения, в том числе, в виде окраски планки и шкалы в красный цвет. В режиме по умолчанию (при полете по маршруту) диапазон шкалы бокового уклонения составляет ±9,25 км или соответствует задаваемой в навигационной базе данных величине [13-15].
Индикация необходимой справочной информации. На бортовом индикаторе навигационной обстановки обеспечивается отображение постоянно вычисляемой бортовым комплексом информации, позволяющей оценивать местоположение самолета относительно текущей и вспомогательных навигационных точек, а также контролировать движение по заданной траектории.
Данная информация включает в себя [1-4]:
- обозначение средства коррекции и его расчетная точность, соответствующая оценке текущей точности определения местоположения;
- обозначение текущей точки пути с наименованием, пеленгом, расстоянием и оставшимся временем полета до нее;
- индикацию значения текущей путевой скорости;
- отображение фактического путевого угла.
Отображение компонентов окон индикации справочной информации, включающих в себя параметры текущей точки пути, скорости и параметры текущего средства коррекции с расчетной точностью и текущим временем, представлено на рис.2, б.
Индикация заданной траектории движения в горизонтальной плоскости. Заданная траектория движения выводится на индикацию на МФЦИ [10-12]. Реализация отображения обеспечивается специализированным программно-математическим обеспечением бортового комплекса. Пример отображения траектории движения на индикаторе навигационной обстановки представлен на рис. 3.
Исходные данные для построения траекторий вылета, прибытия, захода на посадку и ухода воздушного судна на второй круг определены навигационной базой данных и содержат последовательный перечень точек пути и описание участков полета между ними. Описание точек пути и участков полета соответствует структуре собственной навигационной базы данных, аналогичной базе данных «Jeppesen» и соответствующей американским стандартам группы ARINC (Aeronautical Radio Incorporated). В частности, ARINC-424 «Технические требования к базе данных навигационных систем».
BAMAD MP
227 27км То 00:02:45 г-
W 597км/ч Vn бООкм/ч
3V>
2207 5 км/ч
ПУЛКОВО 317 75км То 00:07:33
2167 76.2км
СНС 0.08км Т 23:49:19
Рис. 3. Пример отображения информации на МФЦИ
Бортовой комплекс преобразует заданную в исходных данных навигационную информацию в массив данных, образующих траекторию типовых участков, каждый из которых состоит из характерных расчетных точек, соединенных друг с другом. Координаты расчетных точек и тип соединительной линии или дуги определяются расчетным путем в зависимости от параметров соответствующего участка заданной траектории.
169
Три типовых участка траекторий, используемых для ее отображения на МФЦИ, включают в себя:
- траектория линии пути с участками выхода на нее;
- траектория выхода на касательную к окружности, построенной из точки пути в заданном направлении;
- траектория выхода и полета по дуге.
В общем случае каждая траектория представляет собой набор дуг, построенных из характерных расчетных точек и соединенных отрезками. Отображение всей траектории осуществляется последовательной прорисовкой указанных типовых траекторий, состоящих из набора графических примитивов типа «линия-дуга».
Непосредственно отображение маршрута на индикаторе обеспечивается преобразованием координат расчетных точек из геодезической в экранную систему координат с учетом выбранного масштаба изображения.
Обеспечение полетов по траекториям зональной навигации.
Обеспечение полетов по траекториям зональной навигации обеспечивается алгоритмом расчета навигационных параметров полета воздушного судна по маршрутам зональной навигации, реализуемом в программно-математическом обеспечении, встраиваемом в основной вычислительный контур БВС бортового комплекса в качестве самостоятельного программного модуля.
Алгоритм расчета навигационных параметров полета по маршрутам зональной навигации обеспечивает формирование информационных, ди-ректорных и управляющих сигналов c целью решения задачи выдерживания заданной траектории движения в горизонтальной плоскости. Расчет навигационных параметров регламентируется установленными правилами ICAO Doc 8168.
Расчет навигационных параметров полета осуществляется в реальном времени на основе данных о текущем и следующем участках заданной траектории с учетом фактических параметров полета.
Алгоритмом расчета предусмотрено обеспечение выполнения полета воздушного судна по следующим участкам траекторий маршрутов зональной навигации, соответствующих стандартам ARINC-424 «Технические требования к базе данных навигационных систем»:
- начальная точка пути;
- полет с заданным путевым углом до достижения заданной высоты;
- полет в заданную точку пути с заданным путевым углом подхода;
- полет прямо на заданную точку пути;
- полет от заданной точки пути с заданным путевым углом до достижения заданной высоты;
- полет от заданной точки пути с заданным путевым углом с окончанием траектории вручную;
- полет в зоне ожидания относительно заданной точки пути с окончанием траектории вручную;
- полет по дуге заданного радиуса вокруг заданного центра до заданной точки пути;
- полет по линии пути между двумя заданными точками пути;
- полет с заданным курсом до достижения заданной высоты;
- полет с заданным курсом до пересечения с заданной линией пути;
- полет с заданным курсом с окончанием траектории вручную.
Параметры данных траекторий определяются принятыми авиационными отраслевыми стандартами и содержатся в бортовой навигационной базе данных. Алгоритмическое обеспечение позволяет получать требуемые навигационные параметры полета как при очередной, так и при оперативной смене последовательности участков маршрута. Предусмотренные варианты разворотов, используемых в точках пути при переходе между участками: с упреждением или пролетом.
Результатом работы алгоритма является набор основных параметров, включающий в себя заданный путевой угол, заданный курс, а также директорный и управляющий сигнал заданного крена, определяемый как функция от рассогласования заданного и текущего курсов.
Использование бортовой навигационной базы данных. В навигационном комплексе воздушного судна используется бортовая навигационная база данных, аналогичная базе данных «Jeppesen» и соответствующая стандартам ARINC-424 «Технические требования к базе данных навигационных систем», содержащая текущие навигационные данные, официально предоставляемые для гражданской авиации, из которой можно извлекать и загружать опубликованные маршруты обслуживания воздушного движения и процедуры зональной навигации.
Формирование и подготовка для загрузки в бортовой комплекс содержимого базы данных обеспечивается на сертифицированном наземном рабочем месте штурмана-оператора подготовки полетных данных. При работе с информацией, содержащейся в бортовой навигационной базе данных [13-15], навигационный комплекс обеспечивает решение следующих задач:
- выбор и активация стандартных маршрутов вылета (в том числе, по названию) с их отображением на МФЦИ;
- выбор и активация стандартных маршрутов прибытия (в том числе, по названию) с их отображением на МФЦИ;
- просмотр параметров маршрутов вылета и прибытия, содержащихся в навигационной базе данных.
Бортовая навигационная база данных обновляется в соответствии с циклом регламентации и контролирования аэронавигационной информации. Срок действия базы данных выводится на индикацию при обращении
171
к ее содержимому. Разрешающая способность хранимых данных достаточна для достижения не принимаемой в расчет погрешности определения траектории. База данных подготавливается на наземном рабочем месте штурмана-оператора и не может быть изменена экипажем. Целостность навигационной базы данных, загружаемой в комплекс, обеспечивается разработчиком наземного рабочего места штурмана-оператора подготовки полетных данных.
Заключение. Проведенная оценка характеристик бортового комплекса самолета, предназначенного для использования в составе пилотажных групп, а также ряд обозначенных доработок его программно-математического обеспечения, обеспечивают выполнение требований, предъявляемых спецификацией RNP-1. Решение данной задачи целесообразно использовано в целях получения допуска самолета к полетам в системе точной зональной навигации в европейском регионе в воздушном пространстве RNP-1.
Список литературы
1. Маркелов В.В., Костишин М.О., Шукалов А.В. Коррекция курса инерциальной навигационной системы до взлета самолета по информации от спутниковой навигационной системы // Информационно-управляющие системы. 2015. №6. С.34-39.
2. Принципы индикации маршрутных траекторий полета летательного аппарата на экране бортовых средств отображения информации / В.В. Маркелов, М.О. Костишин, И.О. Жаринов, В. А. Нечаев, Д. А. Заколдаев // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2016. Т.16. №1. С.96-107.
3. Реализация построения маршрутных траекторий для отображения на бортовых многофункциональных индикаторах / В.В. Маркелов, М.О. Костишин, И.О. Жаринов, В. А. Нечаев // Информационно-управляющие системы. 2016. №1. C.40-49.
4. The course correction implementation of the inertial navigation system based on the information from the aircraft satellite navigation system before take-off / V. Markelov, A. Shukalov, I. Zharinov, M. Kostishin, I. Kniga // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016. Vol.124. No.1, art.012020.
5. Reliability evaluation of integrated modular avionics computational structures for different hardware configurations / E.Kniga, I. Zharinov, A. Shukalov, V. Nechaev // Key Engineering Materials. 2016. Vol.685. P.350-354.
6. Kniga E., Shukalov A., Paramonov P. Organization of onboard digital computer system with reconfiguration. Communications in Computer and Information Science. Vol.487. 2014. P. 197-204.
172
7. Богатырев В.А. Надежность и эффективность резервирования компьютерных сетей // Информационные технологии. 2006. №9. С. 25-30.
8. Богатырев В. А., Богатырев С.В. Объединение резервированных серверов в кластеры высоконадежной компьютерной системы // Информационные технологии. 2009. №6. С.41-47.
9. Utkin S.B., Batova S.V., Blagonravov S.A., Konovalov P.V., Zhari-nov I.O. Automated construction of software configuration tables for real-time systems in avionics. Programming and Computer Software. 2015. Vol.41. №4. P.219-223.
10. Zharinov I.O., Zharinov O.O., Kostishin M.O. The research of re-dundacy in avionics color palette for on-board indication equipment // Proceedings of International Siberian Conference on Control and Communications (SIBCON-2015). Omsk: The Tomsk IEEE Chapter & Student Branch. Russia. Omsk. May 21-23, 2015. P. 7147313.
11. Theoretical estimation of Grassmann's transformation resolution in avionics color coding systems/ Y.A. Gatchin, I.O .Zharinov, A.G. Korobeyni-kov, O.O. Zharinov // Modern Applied Science. 2015. Vol.9. No.5. P.197-210.
12. Evaluation of chromaticity coordinate shifts for visually perceived image in terms of exposure to external illuminance / S.A. Aleksanin, I.O. Zharinov, A.G., Korobeynikov, O.A. Perezyabov, O.O. Zharinov // ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences. 2015. Vol.10. No.17. P.7494-7501.
13. Оценка точности визуализации местоположения объекта в геоинформационных системах и системах индикации навигационных комплексов пилотируемых летательных аппаратов / М.О. Костишин, И.О. Жаринов, О.О. Жаринов, В. А. Нечаев, В.Д.Суслов // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2014. №1. C.87-93.
14. Алгоритм формирования и вывода картографических изображений в системах навигации пилотируемых летательных аппаратов / И. О. Жаринов, Ю.А. Кирсанова, П.В. Коновалов, М.О. Костишин // Мехатрони-ка, автоматизация, управление. 2014. №8. C.68-72.
15. Алгоритмы автоматизации конфигурирования загрузочных компонентов аэронавигационной информации и геоинформационных данных авионики / М.О. Костишин, А.В. Шукалов, П.П. Парамонов, И.О.Жаринов, О.О.Жаринов // Мехатроника, автоматизация, управление. 2014. №9. С.64-72.
Маркелов Владимир Владимирович, вед. инженер-программист, vvmar-kel@,gmail.com, Россия, Санкт-Петербург, АО ««ОКБ ««Электроавтоматика»,
Шукалов Анатолий Владимирович, канд. техн. наук, первый зам. ген. директора — гл. конструктор, доц., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, АО ««ОКБ « Электроавтоматика»,
Костишин Максим Олегович, канд. техн. наук, нач. сектора, доц., [email protected], Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика», Университет ИТМО,
Жаринов Игорь Олегович, д-р техн. наук, доц., зав. кафедрой, [email protected], Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика», Университет ИТМО,
Нечаев Владимир Анатольевич, нач. научно-исследовательского центра — гл. конструктор, ст. преподаватель, nil-12@,mail.ru, Россия, Санкт-Петербург, АО «ОКБ «Электроавтоматика», Университет ИТМО
ADAPTING THE NAVIGATION SYSTEM OF THE AIRCRAFT FOR THE FLIGHT SOL UTIONS OF PROBLEMS IN THE SYSTEM PRECISION AREA NA VIGA TION
V.V. Markelov, A.V. Shukalov M.O. Kostishin, I.O. Zharinov, V.V. Nechaev
To fulfill these requirements specification, in order to obtain access to the aircraft flying in the system precision area navigation in the European region in the airspace, carried out to evaluate the performance of the aircraft on-board complex and proposed a number of revisions of his mathematical software.
Key words: navigation system, flight, navigation, display.
Markelov Vladimir Vladimirovich, Senior Software Engineer, [email protected], Russia, St. Petersburg, JSC «OKB «Electroavtomatika»,
Shukalov Anatoly Vladimirovich, candidate of technical sciences, First Deputy General Director - Chief Designer, docent, [email protected], Russia, St. Petersburg, JSC «OKB «Electroavtomatika»,
Kostishin Maxim Olegovych, candidate of technical sciences, Head of Sector, docent, maksim@,kostishin. com, Russia, St. Petersburg, JSC «OKB «Electroavtomatika», ITMO University,
Zharinov Igor Olegovych, doctor of technical sciences, docent, Head of the Training and Research Center, head of department, igor [email protected], Russia, St. Petersburg, JSC «OKB «Electroavtomatika», ITMO University,
Nechaev Vladimir Anatolievich, Head of Research Centre - Chief Designer, Senior Lecturer, nil-12@,.mail.ru, Russia, St. Petersburg, JSC «OKB «Electroavtomatika», ITMO University
