К вопросу информационного обеспечения экипажа воздушного судна Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 629.7.066.3

К ВОПРОСУ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКИПАЖА ВОЗДУШНОГО СУДНА

О. С. Дятлова,1

аспирант

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Приводится описание разрабатываемых систем информационного обеспечения экипажа, в частности наиболее перспективные системы технического видения с расширенными возможностями визуализации. Формулируются первоочередные задачи, возникающие при их разработке, а именно задача контроля работы алгоритма наведения воздушного судна в целевую точку и задача повышения достоверности изображения, формируемого на коллиматорном индикаторе, путем комплексной обработки видеоизображения и цифровой модели рельефа. Предлагаются методы их решения.

Ключевые слова — система технического видения, директорная информация, подстилающая поверхность, видеоизображение, цифровая модель рельефа.

Введение

С развитием авиационной техники в гражданской авиации и авиации специального назначения происходит постоянное усложнение решаемых экипажем задач. Для снижения нагрузки на экипаж воздушного судна (ВС) и повышения безопасности полетов решается комплекс задач по предоставлению пилоту необходимой пилотажно-навигационной информации, а также информации о подстилающей поверхности в максимально удобной для восприятия и быстрого реагирования форме.

Наиболее востребованной и динамично развивающейся областью внедрения новых технических возможностей представляется информационное обеспечение экипажа поисково-спасательных судов, а также ВС гражданской авиации, совершающих полеты в темное время суток и при сложных погодных условиях, т. е. в условиях ограниченной видимости. Предлагаемые решения позволяют значительно расширить эксплуатационные ограничения ВС, повысить регулярность полетов за счет снижения метеоминимума ВС.

1 Научный руководитель — доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой открытых информационных технологий и информатики Санкт-Петербургского государственного университета аэрокосмического приборостроения А. В. Гордеев.

Описание разрабатываемых систем технического видения

Для повышения безопасности в аэропортах, где недоступны или отсутствуют системы точного захода на посадку, а также для предупреждения столкновения в полете по сложным траекториям и в среде с многочисленными препятствиями и/или сложным рельефом земной поверхности предлагается, в частности, использовать следующие системы [1]:

— технического видения (Enhanced Vision System — EVS), где на коллиматорный индикатор выводится изображение от радиолокационных, телевизионных и инфракрасных обзорных бортовых систем;

— синтезированного видения (Synthetic Vision System — SVS), где изображение на дисплее формируется путем графического представления цифровой модели рельефа (ЦМР), на которую накладывается пилотажно-навигационная информация;

— комбинированного видения (Combined Vision System — CVS);

— технического видения с расширенными возможностями визуализации (Enhanced Flight Vision System — EFVS).

В последнем случае помимо изображения от обзорных систем формируется директорная информация. Эта директорная информация представляет собой спроецированный на коллиматор-ный экран вектор скорости ВС и заданный вектор

Вектор скорости

Заданный

ІЛ'',ЇК .... вектор скорости

Рис. 1. Вид индикатора с директорной информацией

скорости ВС, обеспечивающий полет по заданной траектории и/или наведение ВС на какую-либо целевую точку, например взлетно-посадочную полосу (ВПП) (рис. 1).

С точки зрения эксплуатационных преимуществ указанных систем наибольший интерес представляют системы технического зрения с расширенными возможностями визуализации, так как только они в соответствии с зарубежным стандартом, посвященным системам технического видения DO-315, и Руководством по всепогодным полетам ИКАО 9365-AN/910 позволяют понизить метеоминимумы и уменьшить высоту принятия решения вплоть до 100 футов (30,5 м) [2, 3].

При разработке систем технического зрения с расширенными возможностями визуализации возник вопрос, как предупредить вероятность ошибки системы EVFS и ошибочного наведения ВС на целевую точку. Очевидно, что такая ошибка, например при посадке по Cat II в сложных метеоусловиях, когда световые ориентиры ВПП могут быть различимы только на высоте менее 60 м, может иметь катастрофические последствия.

С учетом необходимости представлять пилоту информацию о подстилающей поверхности в максимально удобной для восприятия и быстрого реагирования форме при разработке систем технического зрения с расширенными возможностями визуализации наибольший интерес представляют:

1) задача контроля работы алгоритма наведения ВС в целевую точку;

2) задача комплексной обработки данных о подстилающей поверхности, полученных от ИК-ка-меры, тепловизора, других источников видеоизображения, и ЦМР, хранящейся на борту ВС.

Метод контроля системы наведения ВС в целевую точку

Для решения первой задачи предлагается рассчитывать целевую точку полета ВС по экранным координатам вектора скорости, т. е. проекцию

вектора скорости на подстилающую поверхность (ПП) с использованием ЦМР [4]. Последняя для этих целей может быть выполнена в виде базы данных (БД), хранящейся на борту. Рассчитав на конечном прямолинейном этапе захода на посадку географические координаты проекции вектора скорости и сравнив их с заданными координатами целевой точки, можно сделать вывод об исправности системы наведения ВС.

Упрощенный алгоритм расчета экранных координат символов директорной информации представлен на рис. 2, а.

В соответствии с рисунком экранные координаты символа вектора скорости должны рассчитываться по формулам

Xf = є cos у — (9 — u)sin у; Yf = є sin у + (9 — u)cos у,

где є, у, и — угол сноса, крена, тангажа ВС соответственно; 9 — угол наклона траектории полета ВС:

Траектория

Курс

Линия пути

Заданное положение

Рис. 2. Иллюстрация к алгоритму расчета вектора скорости (а) и заданного вектора скорости (б)

9=180

9 =----arctg

п

hi

Vt

где h — вертикальная скорость ВС; Vt — путевая скорость ВС.

В соответствии с рис. 2, б экранные координаты заданного вектора скорости должны рассчитываться по формулам

Xg = цg cos у -(ng - u)sin y;

Yg = ^g sin y + (ng - u)cos y ,

где — отклонение от заданного положения по курсу; r|g — отклонение от заданного положения по тангажу:

[ 5 У

Цg = ¥ t - ¥ - arctg 5-^-

[ 5xgy

yt — угол касательной к заданной траектории полета; 5y — расстояние от ВС до заданной траектории полета в горизонтальной плоскости;

5xgy = VtTgy >

где Tgy — заданное время маневра в вертикальной плоскости;

180

ng =------arctg

п

hg — h

= \а - §хшк )^Г>

здесь d — расстояние до ВПП; Г — заданный угол наклона траектории полета;

^xgh VtTgh’

где Tgh — заданное время маневра в горизонтальной плоскости.

Цифровая модель рельефа представляет собой совокупность значений отметок превышений рельефа, привязанных к узлам регулярной сетки (рис. 3), и является цифровым выражением высотных характеристик рельефа на топографической карте. Цифровую модель рельефа характеризуют следующие параметры:

• зона покрытия; шаг между узлами сетки по широте и долготе (АХ, Дф); используемый опорный эллипсоид для определения горизонтальных координат (например, WGS-84);

• точность представления горизонтальных координат (характеризуется количеством используемых десятичных знаков);

• среднеквадратическая ошибка (СКО) и смещение оценки горизонтальных координат; используемая горизонтальная проекция (например, иТМ*);

* иТМ - универсальная поперечная проекция Меркатора, называемая также проекцией Гаусса - Боага.

■ Рис. 3. Хранение значений высоты в БД ЦМР: HxY — высота в узле сетки

• используемый уровень отсчета высоты (например, средний уровень моря, WGS-84);

• точность представления высоты (характеризуется количеством используемых десятичных знаков);

• СКО и смещение оценки высоты; способ расчета высоты в узле (например, максимальное значение в ячейке, среднее значение в ячейке);

• целостность;

• единицы измерения.

В дальнейшем будем считать, что для контроля работы алгоритма наведения используются ЦМР с параметрами [5], перечисленными в таблице. Существуют различные методы расчета высоты в узле сетки, например максимальное

■ Основные параметры ЦМР

Параметр Значение

Шаг между узлами сетки по долготе и широте В зависимости от режима полета и точности навигационных данных: АХ = Дф = = 30"; АХ = Дф = 15"; АХ = = Дф = 6"

Опорный эллипсоид для определения горизонтальных координат WGS-84

СКО и смещение оценки горизонтальных координат с>Х = 25, А = 0

Уровень отсчета высоты Уровень моря

СКО и смещение оценки максимальной высоты внутри ячейки, м oh = 15, А = 0

Способ расчета высоты в узле Максимальное превышение рельефа в пределах ячейки — квадрат со стороной а = АХ = Аф, построенный так, чтобы его узел находился в центре ячейки (см. рис. 3)

или среднее значение превышения рельефа в пределах ячейки [6]. При разработке системы синтетического видения в целях повышения надежности необходимо производить построение изображения рельефа местности в любой точке с заданными координатами, выбирая максимальное превышение в пределах соответствующей ячейки.

Очевидно, что шаг сетки отображаемой поверхности должен быть различным для различных этапов полета ВС. Также возможен переход на использование БД с большим или меньшим шагом сетки при соответственном ухудшении или улучшении точности определения навигационных параметров.

Определение координат целевой точки полета по экранным координатам вектора скорости можно осуществить в соответствии со следующим алгоритмом (рис. 4).

1. Входные данные: Xf — горизонтальная экранная координата вектора скорости; Yf — вертикальная экранная координата вектора скорости; На — высота ячейки ЦМР; Щ, ф1, Х1 — соответственно высота, широта, долгота ВС; Я — радиус Земли.

2. Проекция расстояния Sf до целевой точки определяется итерационным способом от 0 до значения, для которого будет верным соотношение

Н - Sftg(Yf) > На.

3. Определение координат целевой точки полета осуществляется по формулам

Xf = Xi + arctg sin(Xf )■ sin

S

R

5(Ф 1 У

R

— sin^ )■

фf = <

R

cos (X,

R

+ cos (ф i )■

R

(Xf)

Символ вектора скорости

Плоскость экрана

Рис. 4. Схема для расчета координат целевой точки: MSL — средний уровень моря (Mean Sea Level)

На следующем этапе полученные координаты целевой точки сравниваются с хранящимися в БД соответствующими значениями. В рассматриваемом случае прямолинейного участка захода на посадку речь идет о координатах порога ВПП. В случае недопустимого отклонения, превышающего порог ТЪт, расчетных значений от имеющихся в БД принимается решение об отказе алгоритма и снятии директорных символов с индикации. В качестве порога ТЪт предлагается использовать значение погрешности косвенных измерений, возникающих в процессе расчета координат целевой точки по информации об угловом положении ВС. В работе [4] была приведена оценка этих погрешностей в зависимости от погрешностей измерения входных параметров.

Метод комплексной обработки видеоизображения подстилающей поверхности и ЦМР

Получение максимально достоверной картинки на коллиматорном индикаторе возможно в случае комплексной обработки данных о подстилающей поверхности, полученных от ИК-ка-меры, тепловизора, других источников видеоизображения, и ЦМР. При этом одновременно выводить видеоинформацию от обоих источников нецелесообразно, поскольку картинка в этом случае будет чрезмерно перегружена.

В настоящее время практикуется раздельное представление данных по этим каналам [7, 8]:

— пространственное разделение видеоинформации, когда изображение от ИК-камеры выводится на коллиматорный индикатор, а синтезированное — на основной пилотажный индикатор;

— временное разделение, когда изображение от указанных источников выводится в поле зрения пилота поочередно.

В обоих случаях говорить о комплексной обработке изображения не приходится. Адекватность и соответствие видеоинформации от ИК-камеры и синтезированного изображения оценивается пилотом визуально. Такой подход противоречит целям внедрения систем индикации на лобовом стекле в гражданскую авиацию в части снижения нагрузки на пилота. Решив задачу комплексной обработки данных по двум указанным каналам, это противоречие можно будет устранить.

Для анализа соответствия данных, получаемых от двух источников, необходимо в первую очередь привести изображения к одинаковой размерности, так как ЦМР содержит трехмерный массив данных, а выдаваемое ИК-камерой изображение является двумерным.

Построение «огибающей объектов в вертикальной плоскости». Массив экранных координат (Хру Уу) Построение «огибающей объектов в вертикальной плоскости». Массив экранных координат Ув)

> Г > Г

X max Определение«степенипохожести»: Ts = ^ Yv[£] — Ys[і] і=0

> f

Конец

■ Рис. 5. Алгоритм анализа изображений

С учетом вышесказанного предлагается алгоритм анализа изображений, показанный на рис. 5.

После определения степени похожести полученных кривых предлагается выполнить ее сравнение с порогом ТЪт. Когда порог не превышен, Те < ТЪт, на отображение выводится только изображение от ИК-камеры, поскольку оно более информативно и не противоречит данным ЦМР. Превышение порога может быть вызвано наличием в видеоизображении метеообразований или ошибками в БД ЦМР. В этом случае на отображение выводится предупреждение о несоответствии и кривая (Хе, Y,,). На основании этой информации пилот сможет принять решение об использовании той или иной системы индикации.

1. Bailey R. E., Kramer L. J., L. Prinzel III Fusion of Synthetic and Enhanced Vision for All-Weather Commercial Aviation Operations / NASA Langley Research Center. USA. Hampton, VA 23185. http://ntrs.

Заключение

В статье были рассмотрены задачи контроля работы алгоритма наведения ВС в целевую точку в системах технического видения и повышения достоверности изображения, формируемого на коллиматорном индикаторе, путем комплексной обработки видеоизображения и ЦМР. Предложенные алгоритмы решения поставленных задач позволяют повысить надежность разрабатываемых систем индикации, а также производить мониторинг целостности ЦМР по маршруту полета ВС. В дальнейшем необходимо провести экспериментальное моделирование работы представленных алгоримов, получить оценку их трудоемкости и необходимых вычислительных ресурсов.

nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/20070018 792_2007018398.pdf. (дата обращения: 13.06.2008).

2. Minimum Aviation System Performance Standarts (MASPS) for Enhanced Vision Systems, Synthetic Vi-

sion Systems, Combined Vision Systems and Enhanced Flight Vision Systems / RTCA / DO-315. — Washington, D.C.: RTCA, Inc., 2008. — 96 p. 3. Руководство по всепогодным полетам Doc 9365-AN/910. Изд. второе / ИКАО, 1991. — 81 с. 4. Дятлова О. С. Метод контроля исправности системы технического видения с наведением // Научная сессия ГУАП: Сб. докл.: В 3 ч. Ч. 1. Технические 6. Standards for Digital Elevation Models, DEM Level 1 / National Mapping Program, 1998. 17 p. http://na-tionalmap.gov/gio/standards/ (дата обращения: 13.06.2008). 7. Theunissen E., Roefs F. D., Koeners G. J. M. Integration of imaging sensor data into a synthetic vision display. http://www.synthetic-vision.tudelft.nl/ SVatDelftUofT/publications.htm (дата обращения:

науки. СПб.: ГУАП, 2010. C. 11-14. 5. User Requirements for Terrain and Obstacle Data, Federal Aviation Administration / RTCA / DO-276. Washington, D.C.: RTCA, Inc., 2002. 94 p. http:// www.rtca.org/downloads/DEC%202004%20-%20 05-01-06.htm#_Toc92863902, $195.00. (дата обра- 22.05.2010). 8. Bailey R. E., Kramer L. J. Fusion of Synthetic and Enhanced Vision for All-Weather Commercial Aviation Operations. http://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/ casi.ntrs.nasa.gov/20070018792_2007018398.pdf (дата обращения: 22.05.2010).

щения: 10.08.2008).

Уважаемые подписчики!

Полнотекстовые версии журнала за 2002-2006 г. г. в свободном доступе на сайте журнала (http://www.i-us.ru) и на сайте РУНЭБ (http://www.elibrary.ru). Печатную версию архивных выпусков журнала за 2003-2009 г. г. Вы можете заказать в редакции по льготной цене.

Журнал «Информационно-управляющие системы» выходит каждые два месяца. Стоимость годовой подписки (6 номеров) для подписчиков России — 3600 рублей, для подписчиков стран СНГ — 4200 рублей, включая НДС 18 % и почтовые расходы.

На электронную версию нашего журнала (все выпуски, годовая подписка, один выпуск, одна статья), вы можете подписаться на сайте РУНЭБ (http://www.elibrary.ru).

Подписку на печатную версию журнала можно оформить в любом отделении связи по каталогам:

«Роспечать»: № 48060 — годовой индекс, № 15385 — полугодовой индекс, а также посредством:

«Северо-Западное Агентство «Прессинформ»»

Санкт-Петербург, тел.: (812) 335-97-51, 337-23-05, эл. почта: press@crp.spb.ru, zajavka@crp.spb.ru, сайт: http://www.pinform.spb.ru

Подписное агентство «МК-Периодика» (РФ + 90 стран)

Москва, тел.: (495) 681-91-37, 681-87-47, эл. почта: export@periodicals.ru, сайт: http://www.periodicals.ru «Информнаука» (РФ + ближнее и дальнее зарубежье)

Москва, тел.: (495) 787-38-73, эл.почта: Alfimov@viniti.ru, сайт: http://www.informnauka.com «Артос-Гал»

Москва, тел.: (495) 603-27-28, 603-27-33, 603-27-34, сайт: http://www.artos-gal.mpi.ru/index.html «ИНТЕР-ПОЧТА-2003»

Москва, тел.: (495) 500-00-60, 580-95-80, эл. почта: interpochta@interpochta.ru, сайт: http://www.interpochta.ru Краснодар, тел.: (861) 210-90-00, 210-90-01, 210-90-55, 210-90-56, эл. почта: krasnodar@interpochta.ru Новороссийск, тел.: (8617) 670-474

«Деловая пресса»

Москва, тел.: (495) 962-11-11, эл. почта: podpiska@delpress.ru, сайт: http://delpress.ru/contacts.html

«Коммерсант-Курьер»

Казань, тел.: (843) 291-09-99, 291-09-47, эл. почта: kazan@komcur.ru, сайт: http://www.komcur.ru/contacts/kazan/ «Урал-Пресс» (филиалы в 40 городах РФ)

Сайт: http://www.ural-press.ru «Идея» (Украина)

Сайт: http://idea.com.ua «ВТЬ» (Узбекистан)

Сайт: http://btl.sk.uz/ru/cat17.html и др.