CC BY
119
2005
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Информатика. Прикладная математика
№ 92(10)
УДК 629.735.015:681.3
АЛГОРИТМ РАСЧЕТА МАРШРУТА В ЦЕНТРАЛИЗОВАННОЙ СЛУЖБЕ ПЛАНИРОВАНИЯ ПОЛЕТОВ
М.А. ИЛЛАРИОНОВА, П.Е. ЧЕРНИКОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рудельсоном Л.Е.
В статье на уровне алгоритмического описания рассмотрены вопросы снижения погрешности вычислений, возникающие при переходе к анализу воздушного пространства страны в централизованной системе. Предложены новые схемы расчета пространственно-временной траектории полета и распределения плановой информации, удовлетворяющие требованиям диспетчерского персонала.
1. Введение
В России в настоящее время действует следующая схема сбора планов полетов. Не позднее, чем за полчаса до рейса эксплуатант представляет в диспетчерский пункт аэродрома (АДП) вылета план полета (flight-plan - ФПЛ) и несет ответственность за его содержимое. Персонал АДП определяет адреса рассылки плана в органы обслуживания воздушного движения (ОВД) по всему маршруту и на аэродром назначения. После представления ФПЛ в АДП командир воздушного судна (ВС) производит вылет даже в том случае, если план составлен некорректно, не учитывает действующую аэронавигационную информацию, не поступил в нужный адрес. Проблемы с обеспечением таких рейсов возникают и решаются центрами ОВД уже в ходе выполнения полетов. Основные недостатки схемы:
• значительная часть сообщений о движении ВС, выполняющих регулярные международные полеты, не представляется в Главный центр (ГЦ) Единой системы (ЕС) организации воздушного движения (ОрВД), что существенно затрудняет реализацию разрешительного порядка использования воздушного пространства (ИВП) России;
• обратная ситуация: из-за ошибок адресации в органы ОВД поступает информация о рейсах, не затрагивающих их воздушное пространство (ВП);
• при обмене некачественной плановой информацией телеграммы многократно редактируются во всех органах ОВД, затрагиваемых полетом;
• отсутствует механизм обратной связи - влияния со стороны центров ЕС ОрВД на качество поступающей в органы ОВД плановой информации, что не позволяет добиваться ее корректности, полноты и своевременности.
Аналогичная ситуация существовала в Европе, США и Канаде 5-7 лет назад и послужила основанием для создания интегрированных систем обработки планов полетов, построенных на двух основных принципах:
• централизация сбора и рассылки плановой информации;
• активное использование обратной связи с отправителем сообщения.
Ключевым моментом концепции централизованной обработки планов полетов является переход от анализа обстановки в пространстве одного районного центра управления воздушным движением (УВД) к масштабам зонального и главного центров. На первый план выступает проблема погрешности картографических преобразований, которая в существующих системах остается второстепенной вследствие достаточно малой площади зоны ответственности [1].
Наилучшим по точности способом представления воздушной обстановки является картографическая модель. Она оперирует координатами широты и долготы, угловыми скоростями полетов относительно центра Земли. Однако характеристики воздушных судов (ВС), измеренные координаты и высота - все это различные типы данных (метрические, полярные и т.д.).
Традиционная стратегия согласования этой разнородной информации состоит в приведении данных в метрическую систему [2]. В масштабах России это приводит к расхождению плановых и радиолокационных данных в связи с нарастанием погрешности пересчета географических координат в декартовы.
2. Алгоритм расчета маршрута
Анализ и формирование маршрута полета по плану предназначены для автоматического преобразования указанных в плане текстовых данных о маршруте движения ВС. Результатом является последовательность пунктов пространственно-временной траектории в пределах зоны УВД. Однозначно устанавливаются и характеризуются хранящимися в базе данных (БД) технологическими признаками и декартовыми координатами все точки маршрута. В централизованной системе, работающей с планом использования воздушного пространства России, такая постановка задачи теряет смысл. Представить на декартовой плоскости территорию страны без искажений невозможно.
Другой подход к задаче, позволяющий обойти это затруднение, состоит в следующем. Каждый пункт характеризуется расстоянием, пройденным до него при движении по маршруту и известным из справочников. При этом каждая такая точка рассматривается как центр стереографической проекции. Исходными данными является запись об обрабатываемом плане полета [3]. Кроме записи о плане, используются описания «своих» элементов системы (принадлежащих воздушному пространству, которое контролирует система), а также описание всех аэродромов, пунктов обязательных донесений (ПОД) и трасс (в таблице фиксируются адреса описаний). Фрагменты алгоритма анализа маршрута представлены на рис. 1 - 4.
Рис. 1. Фрагмент алгоритма анализа маршрута в территориальной системе. Оценка непротиворечивости данных
Рис. 2. Фрагмент алгоритма анализа мар)шрута в территориальной системе. Проверка переходов с трассы на трассу
Рис. 3 (слева). Анализ схода с трассы. Рис. 4 (справа). Анализ входа на трассу.
Рис. 3. Анализ схода с трассы
Рис. 4. Анализ входа на трассу
Прежде всего определяется направление, в котором совершается полет. Это необходимо для того, чтобы программное обеспечение обладало исходной информацией о точке, из которой необходимо начать разворачивать трассу. Далее в маршрут переносятся все точки из плана полета, начиная от точки входа в систему и заканчивая аэродромом посадки (точкой выхода из системы). Если аэродром находится в зоне УВД, то проверяется, присоединен ли он к определенной точке трассы, т. е. связан ли он с трассой в этой точке. Если проверка дает отрицательный результат, то план отвергается и выдается сообщение об ошибке.
В качестве параметров в функцию передаются: наименование проверяемого аэродрома S и номер анализируемой трассы N. Функция возвращает значение целого типа Res. В описании трассы есть поле TRa, которое представляет собой массив из двух строк: в первой строке перечень аэродромов, достижимых при полете по трассе в прямом направлении, во второй - перечень аэродромов, достижимых при полете по трассе в обратном направлении. Организуем первый цикл для просмотра этого массива по строкам и второй цикл для просмотра каждого элемента 7-й строки. Считываем очередное обозначение из описания трассы. Если они совпали, то возвращаем единицу (аэродром достижим ), если нет - ноль.
В плане указаны не только ПОД, но и обозначения трасс. Алгоритм проверяет принадлежность ПОД соответствующим трассам. Затем осуществляется «развертка» трасс от точки входа до точки выхода и (если это указано в плане полета) переход с одной трассы на другую, т. е. развертывание описания второй трассы в последовательность пунктов.
На выходе функции имеется последовательность пунктов маршрута: аэродром вылета, точка входа на трассу, точки трассы, если необходимо, точка перехода на другую трассу, точки второй трассы, точка схода с трассы, аэродром назначения. Далее производится привязка каждого пункта к местности. Точкам приписываются их декартовы координаты, курс полета и другие характеристики. По окончании формирования маршрута в системе представлена плоская проекция планируемого полета, пример которой показан на рис. 5. В БД хранится достаточно полная и точная двумерная модель полета. Каждой точке маршрута поставлено в соответствие
расстояние до нее от точки взлета. Эти расстояния берутся из справочников аэронавигационной информации, что позволяет избежать нарастания погрешности преобразования географических координат в декартовы при дальних перелетах.
3. Построение пространственно-временной траектории
Далее управление передается функции построения пространственно-временной траектории. Задача этой функции состоит в определении моментов времени и высот пролета ВС каждой точки маршрута, а также в определении трехмерных координат и моментов времени пролета точек пересечения маршрутом высотных границ секторов. На участках переменного профиля полета учитываются летно-технические характеристики набора высоты и снижения ВС. Формируются данные обработки запросов интегральной плановой информации (списков) и отсутствующие в исходном плане:
• расчетное время входа и расчетная высота входа ВС в каждый затрагиваемый маршрутом сектор;
• расчетные времена вылета и (для прибывающих на известные системе аэродромы) посадки ВС по плану;
• расчетное время и (для приземляющихся на не известные системе аэродромы) расчетная высота выхода ВС из района УВД по плану.
Для расчета вертикальной составляющей скорости в фазе набора высоты используется экспоненциальная аппроксимация траектории полета; в фазе снижения - кусочно-линейная аппроксимация. Расчетная высота на участках переменного профиля полета вычисляется с учетом системных ограничений по высоте пролета точек. Г оризонтальная составляющая скорости рассчитывается с использованием кусочно-линейной аппроксимации.
В результате построения четырехмерной модели полета появляется возможность определить точки пересечения с высотными границами секторов. Они вводятся в описание маршрута для правильного определения рубежей передачи управления ВС.
При невозможности однозначного построения модели полета по данным плана организуется диалог системы с диспетчером, облегчающий редактирование вводимой информации. Контрастным цветом подсвечиваются ошибочные поля и отображается сообщение о первой в порядке просмотра обнаруженной ошибке. По планам, удовлетворяющим требованиям расчета маршрута, формируются вычисленные данные для алгоритмов распределения плановой информации.
Входной информацией является плоская проекция маршрута в зоне действия системы в виде последовательности точек в порядке их пролета (рис. 5), запись с информацией об обрабатываемом плане полета и летно-технические характеристики воздушного судна, выполняющего полет по данному плану. Выходная информация представляет собой рассчитанные программой значения высот полета в требуемые моменты времени. В графическом виде результат расчета пространственно-временной траектории выглядит, как это показано на рис. 6.
Рис. 6. Вертикальная проекция траектории
Алгоритм определяет точку, в которой ВС приступило к снижению, для этого используется процедура расчета ситуации «прилет», но с условием: расчет ведется «в обратном направлении», от аэродрома посадки, и только до точки излома высотной траектории (т.е. до момента начала фазы посадки). Данные для массивов Тг и Нг сохраняются во временных массивах. Шаг за шагом, рекуррентно вычисляется и запоминается расстояние от аэродрома вылета до текущей точки маршрута, так как эти данные понадобятся в дальнейшем.
Производится расчет траектории полета в соответствии с процедурой для ситуации «вылет». Как и на первом этапе, рекуррентно производится расчет расстояния от аэродрома вылета до текущей точки маршрута. Если по результатам второго этапа в какой-то момент времени была обнулена переменная, хранящая значение текущей вертикальной скорости подъема, то высотная траектория ВС содержит в себе все 3 фазы полета. Если же при пересчете выявляется совпадение нарастающего расстояния с расстоянием, пройденным на первом этапе, и это произошло раньше, чем функции второго этапа обнулили значение вертикальной скорости ВС, то траектория полета содержит только два участка - набор высоты и снижение (т.е. пилот приступает к снижению, не успев набрать заданную высоту).
В обоих случаях работа процедуры продолжается до тех пор, пока не обнаружится совпадение расчетных расстояний. После этого момента в массивы Тг и Нг, частично заполненные на втором этапе, в обратном порядке пересылаются данные из соответствующих временных массивов, заполненных на первом этапе.
Далее в маршрут вставляются точки пересечения высотных границ секторов УВД и точка начала снижения для захода на посадку. Осуществляется привязка ко времени от момента взлета - через все пункты маршрута - до посадки. На участках набора высоты и снижения расчет высоты и моментов пролета точек производится на основе летно-технических характеристик ВС, в фазе горизонтального полета - исходя из крейсерской скорости. В завершение процедуры маршрут делится на участки, принадлежащие каждый одному сектору, т.е. на участки, движение по которым будет контролироваться одним диспетчером. Участки, как правило, не примыкают друг к другу вплотную, а перекрываются своими концами внахлест. Это объясняет-
ся правилами УВД, согласно которым диспетчеры могут передавать друг другу управление бортом не в одной фиксированной точке границы секторов, а в некоторой буферной зоне по обе стороны, насчитывающей несколько точек, одну из которых можно выбрать по договоренности, исходя из текущей загрузки диспетчера. Функция распределения, таким образом, дополняет маршрут последовательностью секторов пролета, представляющей собой список его частично перекрывающихся отрезков в хронологическом порядке пролета.
В результате программное обеспечение располагает всей информацией для включения в запись о плане полета расчетных полетных данных.
4. Заключение
Концепция централизованной обработки планов полетов разработана для достижения непротиворечивости, целостности и полноты информации, циркулирующей в системе организации воздушного движения. Однако ее реализация выдвигает ряд инженерных и административных проблем и требует теоретического обоснования. В статье на уровне алгоритмического описания рассмотрены некоторые вопросы снижения погрешности вычислений, возникающие при переходе к анализу воздушного пространства страны в централизованной системе. Предложены новые схемы расчета пространственно-временной траектории полета и распределения плановой информации, удовлетворяющие требованиям диспетчеров.
ЛИТЕРАТУРА
1. Анодина Т.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением. - М.: Транспорт, 1992.
2. Воздушный кодекс Российской Федерации - М.: Воздушный транспорт, 1997.
3. Табель сообщений о движении воздушных судов транспортной системы Российской Федерации (ТС ТА-95). - М.: Воздушный транспорт, 1997.
A ROUTE COMPUTING ALGORITHM FOR FLIGHT PLANNING CENTRAL SERVICE Illarionova M.A., Chernikov P.Ye.
The computing accuracy of aircraft route within the whole state airspace on the algorithmic description level is being discussed in this article. New route and time-space trajectory schemes, that meet the controller’s requirements, are being offered.
Сведения об авторах
Илларионова Марина Александровна, окончила МГТУ ГА (2004), аспирант МГТУ Г А, автор 3 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.
Черников Павел Евгеньевич, 1982 г.р., окончил МГТУ ГА (2004), аспирант МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - программное обеспечение планирования полетов воздушных судов.
