CC BY
95
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 152
УДК 621.396.933.23
АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ В ОБОСНОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК МНОГОПОЗИЦИОННОЙ ДАЛЬНОМЕРНОЙ РАДИОСИСТЕМЫ КАТЕГОРИРОВАННОЙ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Я.В. КОНДРАШОВ, Т.С. ФИАЛКИНА Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А. И.
Представлена методика оценки точностных критериев посадки летательных аппаратов. Определены допустимые области точностных характеристик системы для ожидаемых условий эксплуатации летательных аппаратов. Проведено обоснование точностных характеристик системы, обеспечивающих возможность посадки летательных аппаратов по первой категории ICAO.
Ключевые слова: многопозиционная дальномерная радиосистема, категорированная посадка.
В настоящее время радиодальномерные системы DME/H [1] и DME/P [2] продолжают оставаться надежными средствами ближней навигации и посадки. В этой связи широкое внимание начинают получать системы определения местоположения летательных аппаратов (ЛА) на сигналообразующей и радиоаппаратурной основе, регламентированных Международной организацией гражданской авиации ICAO, принципов DME (Distance Measuring Equipment), в том числе использующие наземные многопозиционные мобильные (переносные) приемоответчики и ретрансляторы [3].
Одна из разновидностей таких систем (далее МПСП) [4] состоит из бортового и наземного оборудования БО/НО, характеристики которых совместимы со стандартизированной ICAO системой DME. Это позволяет использовать БО и НО как при посадочных операциях ЛА в МПСП, так и самостоятельно, в том числе [5] - расширенных объемах аэронавигационного обслуживания систем DME/VOR (Very High Frequency V.H.F. Omnidirection Range).
МПСП характеризуется следующими параметрами:
• Зона действия системы в режиме привода ЛА к ВПП (на высотах до 6000 м) - 75 км по дальности и 360 градусов по азимуту, в полете (на высотах более 6000 м) - 240 км (в соответствии с документами ICAO, - DO 189).
• Точность определения местоположения ЛА в режиме посадки, в стандартном секторе, достаточна для её выполнения по 1 категории (в соответствии с документами ICAO - RNP 0.02/40).
• Пропускная способность системы - до 10 ЛА;
• Масса БО - 2,5 кг, маяка-ответчика и ретранслятора (без антенн) соответственно, - 3 и 2 кг.
• Время развертывания маяка-ответчика 2чел - 30мин;
• Электропитание маяка-ответчика (ретранслятора) автономное (или от электросети), потребляемая мощность - 30 Вт.
Наиболее перспективна [6] система МПСП для использования на необорудованных стандартными средствами посадки аэродромах МВЛ, временных посадочных площадках для сельскохозяйственных и спасательных работ, обслуживания геологоразведки, нефтедобычи и т. д.
Нецелесообразность использования стандартных, стационарных систем ILS (Instrumental Landing System), MLS (Microwave Landing System), VOR/DME, для решения указанных авиационных задач, объясняется их сложностью и высокой стоимостью в случае установки на необорудованных посадочными средствами аэродромах и авиатрассах с невысокой плотностью полетов ЛА.
Известно [7], что при рассмотрении вопросов, связанных с точностью захода на посадку воздушных судов (ВС), выделяют две группы ошибок: ошибки в технике пилотирования (ОТП) и аппаратурные ошибки (АО) - ошибки комплекса технических средств определения местоположения ВС относительно глиссады планирования. Считая эти ошибки статистически независимыми, суммируя их геометрически, приходят к понятию эксплуатационной точности системы посадки СП (МПСП) [7, 8]. В документе ІСАО [8] приводится допуск на ОТП в канале курса ІЬБ, а в Приложении II к Конвенции ІСАО сказано, что "не существует согласованного метода измерения погрешности, обусловленной техникой пилотирования". В статье [7] приводятся соотношения между ОТП и АО для различных радионавигационных систем (исключая ІЬБ и МЬБ), которые могут быть использованы для грубого захода на посадку.
Введем в рассмотрение погрешность управления.
При оценке множества исходных событий 0(1) множество допустимых управлений Ц(1) содержит те последовательности управляющих событий (Ц,1), которые могут быть реализованы в СП. Ошибки в управляемой системе приводят к тому, что реализуется последовательность управляющих событий не (ИД), а (0, г). Будем оценивать погрешность управляемой системы парой чисел (АЦ, Ді;), где ДЦ - погрешность исполнения управляющего действия, А1 - погрешность в моменте выполнения управляющего действия.
Предположим, что нам известно максимальное значение погрешности исполнения управляющего действия ДЦШах. Для того, чтобы не выходить за пределы эксплуатационных ограничений на управление, ограничим на величину ДЦтах множество Ц(1). Результатом этого ограничения является новое множество допустимых управлений ЦД(ґ) с Ц(1).
Для системы посадки с уменьшенным ресурсом управления оценим теперь множество управляемых событий при той же цели функционирования ю(1к). Обозначим это множество Оа (1) 0(1) з Од (1).
Теперь же, используя Оа (1), можно произвести синтез точностных характеристик СП, которые уже будут характеризовать АО СП.
Относительно погрешности в моменте выполнения управляющего действия необходимо заметить следующее. Эта погрешность выражается в запаздывании выполнения операций управления, которое для режима штурвального управления составляет около 0,3 с [9]. Эффект запаздывания можно учесть следующим образом [10]: синтез точностных характеристик проводить на основании Оа (1 + А1тах) с Оа (1), где А1тах - максимальная задержка в выполнении управляющего действия.
Таким образом, существо методики выделения АО состоит в оценке (ДЦ, А1), сокращении ресурса управления Ц(1), оценке множества допустимых управляемых событий Оа (1).
Конкретное применение методики, рассмотренной выше, предполагает следующее:
1) состояние СП будем отождествлять с фазовым состоянием управляемой системы - воздушного судна, так как на относительно коротких интервалах времени состояние ВС подвержено значительно большим изменениям, чем состояние информационно-управляющей подсистемы;
2) целью функционирования СП на этапе захода на посадку является перевод ВС в точку с нулевыми отклонениями переменных состояния от номинальных значений;
3) в качестве предельного события в СП для синтеза точностных характеристик выбирается состояние ВС с нулевыми отклонениями от глиссады в момент достижения выбранной высоты полета по глиссаде;
4) для закона распределения погрешностей СП выбран нормальный закон;
5) пороговое значение качества распознавания ситуации продолжения захода на посадку Б1 выбрано равным 0,95 (для этого значения вероятности наиболее часто формируют требования к точности СП);
6) продольный и боковой каналы СП исследуются раздельно. В этих условиях множество допустимых текущих событий 0(1) представляет множество предельной управляемости ВС, ко-
торое оценивается в координатах (АН, А0) для продольного канала, (А2, Ау) для бокового канала. Здесь обозначены:
АН, А2 - линейные отклонения ВС от глиссады планирования соответственно по высоте и в горизонтальной плоскости (боковое отклонение);
А0 - отклонение угла наклона траектории ВС от номинального (угла наклона глиссады);
Ау - отклонение ВС от заданного курса захода на посадку.
Среди ожидаемых условий эксплуатации ВС на допустимые области точностных характеристик основное влияние оказывают диапазон допустимых скоростей и углов атаки ВС, конфигурация захода на посадку ВС, ограничения на отклонения органов управления ВС, размеры ВПП. Изменения веса, центровки ВС, угла наклона глиссады в диапазоне 2-5° практически не оказывают влияния на предельные точностные характеристики СП.
Ниже в качестве базовой модели ВС для синтеза допустимых областей точностных характеристик СП МВЛ выбран самолет АН-28. Его ожидаемые условия эксплуатации на этапе захода на посадку предусматривают:
• заход на посадку при различных значениях посадочной массы и скорости планирования: 34,7 м/с для посадочной массы 4500 кг и 37,5 м/с для посадочной массы 6500 кг;
• заход на посадку в условиях ветровых воздействий;
• заход на посадку на ВПП различных размеров.
Особые полетные ситуации образуют:
• заход на посадку с одним отказавшим двигателем;
• заход на посадку с невыпущенными закрылками;
• заход на посадку в условиях обледенения (отказ противообледенительной системы).
Синтез областей допустимых точностных характеристик СП начинается с оценки областей
предельной управляемости ВС для выбранных высот полета по глиссаде. Области предельной управляемости характеризуют допустимые отклонения ВС от глиссады, устраняемые к моменту пролета торца ВПП.
На рис. 1, 2 представлены примеры оценок областей предельной управляемости ВС АН-28. Рис. 1 характеризует допустимые отклонения АН-28 в боковом канале при заходе на посадку с максимальной посадочной массой, рис. 2 - допустимые отклонения АН-28 в продольном канале без учета ограничений на вертикальную скорость снижения и возможного наличия препятствий в зоне захода на посадку. Возможные препятствия в зоне захода на посадку будем учитывать с помощью понятия наихудшей траектории захода на посадку, относительно которой строится поверхность предельных высот препятствий [12]. Плоскость, содержащая наихудшую траекторию захода на посадку, отклонена к земле от плоскости, содержащую глиссаду планирования, на угол 0,400, где 00 - угол наклона глиссады, и ограничивает возможные отклонения ВС вниз от глиссады.
Размеры зоны приземления ВС на ВПП вдоль оси позволяют расширить область допустимых отклонений ВС по координатам А2 и АН.
На рис. 3, 4 представлены области допустимых точностных характеристик СП ВС АН-28 по боковому каналу. На рис. 3 точностные характеристики синтезированы для условий захода на посадку при различных значениях посадочной массы и скорости планирования на разных высотах полета по глиссаде (различных пределах действия СП). Штриховкой обозначены зоны расположения границ областей допустимых точностных характеристик при изменении посадочной массы и скорости захода на посадку. Внутренняя граница зоны соответствует максимальным значениям посадочной массы и скорости.
На рис. 4 области допустимых точностных характеристик соответствуют заходу на посадку в условиях ветровых воздействий (болтанки).
Вышеуказанные области допустимых точностных характеристик СП в боковом канале построены без учета ОТП. ОТП учитываются следующим образом.
Рис. 1. Области допустимых Рис. 2. Области допустимых отклонений
отклонений в боковом канале в продольном канале
Рис. 3 . О бласти допустимых точностных хар актеристик
Рис. 4 . Обл асти д лпустимых точностных характеристик
Положение ВС относительно глиссады в боковом канале корректируется вводом ВС в заданный крен. Точность выдерживания заданного закона изменения угла крена ВС можно принять за характеристику точности управления (пилотирования) ВС. Тогда, действуя в соответствии с вышеприведенной методикой, для учета ОТП в боковом канале необходимо оценку областей допустимых точностных характеристик проводить с уменьшенным значением ограничения на максимальный угол крена утах . Для областей на рис. 3, 4 принято /утах / < 15°.
На рис. 5-7 показано влияние учитываемой ошибки в технике пилотирования ВС на предельные точностные характеристики изменения бокового отклонения ВС от глиссады для наиболее критичных случаев захода на посадку АН-28. Необходимо отметить, что при выборе утах значение о2 на указанных рисунках будет уже характеризовать аппаратурные погрешности СП МВЛ. В процессе выполнения ряда экспериментов [9, 13] было установлено, что точность (СКО) выдерживания крена составляет примерно 2°. Тогда с вероятностью 0,95 эта ошибка не будет превышать 4°. Это значение и выберем в качестве уОтп для определения требуемых АО СП.
На рис. 8 а, б для ВС АН-28 и АН-74 показано влияние ширины ВПП на предельные точностные характеристики измерений бокового отклонения ВС в условиях ветровых воздействий и отказов некоторых функциональных подсистем. Буквами обозначено значение ширины ВПП аэродрома соответствующего класса.
Определение областей допустимых точностных характеристик СП МВЛ в продольном канале целесообразно проводить после анализа точностных характеристик бокового канала и определения наиболее жестких условий формирования требований к точностным характеристикам.
На рис. 9 представлены области допустимых точностных характеристик продольного канала МПСП для ВС АН-28 в условиях захода на посадку с невыпущенными закрылками на ВПП аэродрома класса "В".
Посадочный минимум 1-й категории, как известно [14], составляет 60*800 м, поэтому пределу действия СП МВЛ 1-й категории поставим в соответствие высоту полета по глиссаде, равную 60 м. Для указанной высоты из рис. 3-9 определим предельные точностные характеристики измерения бокового отклонения ВС о2, высотного отклонения он и курса захода на посадку оу. Средств измерения отклонения угла наклона траектории от номинального на борту не имеется, поэтому эту величину рассматривать не будем.
Из рис. 3 и 4 следует, что точность измерения бокового отклонения о2 = 62 м обеспечивает первую категорию захода на посадку в ожидаемых условиях эксплуатации ВС АН-28. Эта же точность обеспечивает первую категорию при заходе на посадку в особых случаях полета: отказе одного двигателя и невыпуске закрылков. Учет ОТП посредством максимальной ошибки выдерживания заданного крена уОТП = 4° позволяет определить предельные точностные характеристики аппаратуры СП (МПСП) МВЛ. Из рис. 5-9 следует, что аппаратурная точность измерения бокового отклонения г|А° = 47 м обеспечивает первую категорию захода на посадку ВС АН-28 на ВПП аэродрома класса "В".
Из рис. 9 следует, что точность измерения отклонения от глиссады планирования по высоте оН =12 м обеспечивает первую категорию захода на посадку ВС АН-28 в ожидаемых условиях эксплуатации и особых случаях полета.
Полученные результаты являются основанием для определения граничных значений необходимой точности МПСП в обеспечении посадки ВС МВЛ по I категории ІСАО [14].
Рис. 5. Учет ОТП
Рис. 6. Учет ОТП
Рис. 7. Учет ОТП
А?.
Д
АН - 2 8
Н=60м
Г
4 0м
В
20
3 0 ДвпгАО м
а
АН - 74
Н=6
Г
5 0м
В Б
4 0м р 30
30
4 0Д
ВПП I
б
Рис. 8. Влияние размеров ВПП на допустимые точностные характеристики: а «—» болтанка; б - «— -» - отказ ПОС, невыпуск закрылков
точностных характеристик
ЛИТЕРАТУРА
1. Нормы летной годности самолетов, НЛГС-3. Раздел: Бортовые дальномеры // МВК НЛГ. - М., 1985.
2. Точный DME L-диапазона. Перевод №1212 материалов фирмы SEL, ФРГ. 1985 г.
3. Кондрашов В. И., Кондрашов Я. В. Принципы и структуры мобильных, локальных, многопозиционных навигационно-посадочных систем наземного базирования / Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №76, 2004. - С. 84-92.
4. Кондрашов Я. В., Фиалкина Т. С. Многопозиционная радиодальномерная система для автоматической посадки летательных аппаратов. Збірник наукових праць «Наука і молодь». Національний авіаційний університет, №7, Київ, 2007. - С. 106-109.
5. Документ ICAO. Приложение 10, изд. 4, поправка 67, Монреаль, 1997 г.
6. Кондрашов Я. В. Адаптация конфигураций однополосных спектров бинарных квазисложных сигналов к ситуативным обстоятельствам применения многопозиционных радионавигационных систем // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №96, 2005. - С. 51-57.
7. Л. Хогл, Дж. Маркин, У. Бредли. Сравнительный анализ характеристик навигационных систем с учетом требований гражданской авиации к навигационному обеспечению / пер. с англ. // ТИИЭР. Т. 71, №10, 1983. - С. 115-122.
8. Правила аэронавигационного обслуживания. Производство полетов воздушных судов. PANS-OPS (Doc. 8168-ОР/611). Т. 1, 2. ICAO, 1982.
9. Сильвестров М.М., Козиоров Л.М., Пономаренко В.А., "Автоматизация управления летательными аппаратами с учетом человеческого фактора". - М.: Машиностроение, 1986.
10. Лазарев Г.Н. Метод учета погрешностей управления при синтезе основных характеристик системы посадки самолетов. Деп. в ЦНТИГА, 1988.
11. Нормы летной годности гражданских самолетов, НЛГС-3. Раздел: Эксплуатация воздушных судов // МВК НЛГ. - М., 1983.
12. Методика определения минимумов для взлета и посадки воздушных судов гражданской авиации. - М.: МГА, 1986.
13. Пути развития радиолокационных систем. Whither radar Radford M.F. GEC7.Res. I985, v.3, №2, p. 137-143.
14. Руководство по требуемым навигационным характеристикам (RNP 0,02/40, ICAO, 2-е издание, Doc. 9613, 1999 г.).
ANALYSIS OF INITIAL DATA IN DESCRIPTIONS BASING MUCH POSITION DISTANT MEASURED SYSTEM RADIO CATEGORY OF LANDING OF AIRCRAFT
Kondrashov Ya. V., Fialkina T. S.
An estimation methods exactness of landing criterions of aircraft is represented. The permissible domains exactness of system descriptions for expectative exploitation conditions of aircraft are definite. A basic exactness of system descriptions, providing a landing possibility of aircraft on first category ICAO is seen out.
Сведения об авторах
Кондрашов Ярослав Викторович, 1970 г. р., окончил МАИ (1993), кандидат технических наук, член-корреспондент Аэрокосмической Академии Украины, главный специалист Центра информационных технологий "Инфотех", автор более 100 научных работ, область научных интересов - радиолокация, радионавигация, управление воздушным движением, сигналообразующие технологии.
Фиалкина Татьяна Станиславовна, окончила НАУ (2008), аспирант НАУ, автор 15 научных работ, область научных интересов - навигация и управление воздушным движением, авиационные компьютерно-интегрированные комплексы.
