CC BY
128
УДК 621.396
КОНТРОЛЬ ЦЕЛОСТНОСТИ АЭРОНАВИГАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ НА БОРТУ ВОЗДУШНОГО СУДНА ПРИ ПОЛЕТАХ В ОКЕАНИЧЕСКИХ
И ТРУДНОДОСТУПНЫХ РАЙОНАХ
А.В. ВЕСЕЛОВ, А.С. КОРОЛЕВ, Д.В. КОЛЯДОВ
В статье рассматриваются методы определения местоположения воздушного судна при полетах в удаленных районах воздушного пространства, и описывается подход к оценке и поддержанию заданного уровня целостности получаемой навигационной информации.
Ключевые слова: целостность, многопозиционное наблюдение, навигация, труднодоступные районы.
Решение задач навигации и наблюдения в областях воздушного пространства, расположенных над океаническими и труднодоступными районами, ограничивается частичным или полным отсутствием единого информационного поля [6]. Создание такого поля представляет собой технически сложную и экономически нецелесообразную задачу.
В условиях недостатка аэронавигационной информации для обеспечения навигации воздушных судов может быть использована информация, получаемая с помощью спутниковых радионавигационных систем (СРНС) [1]. Однако использование СРНС для обеспечения аэронавигационной информацией связано с ограничением зоны обслуживания и высоким уровнем помех в спутниковом канале связи. Повышение эффективности применения СРНС может быть достигнуто комплексированием информации СРНС и бортовых радиоэлектронных систем. Ком-плексирование информации возможно как с автономными навигационными средствами на борту воздушного судна (ВС) [2], так и с авиационным радиоэлектронным оборудованием изначально не выполняющего роль навигационного средства, но при использовании определенных режимов работы позволяющего получать данные о местоположении воздушного судна в пространстве (к такому оборудованию, например, может быть отнесена бортовая метеонавигаци-онная РЛС).
Применение методов комплексирования информации позволяет повысить точность, целостность и непрерывность аэронавигационной информации. В рамках поставленной задачи особый интерес представляют так называемые функциональные дополнения или системы автономного контроля целостности на борту ВС. Автономный контроль целостности обеспечивается сравнением имеющейся навигационной информации с информацией, получаемой от других навигационных систем, таких как инерциальная система навигации, системы дальней и ближней навигации. Контроль целостности может осуществляться и в отсутствии информации, получаемой по спутниковому каналу.
Задача определения местоположения подвижного объекта в пространстве в рассматриваемых условиях может быть также решена с помощью использования технологий мониторинга. Эти технологии позволяют извлекать некоординатную информацию об объектах, расположенных в океанических и труднодоступных районах [3]. Для целей мониторинга может быть использовано существующее авиационное радиоэлектронное оборудование при соответствующей модернизации и применении методов пространственно-временной обработки радиосигналов. Такая обработка предполагает, в частности, извлечение информации, содержащейся в неэнергетических (поляризационных) характеристиках отраженных электромагнитных волн. Результатом такой обработки может быть некоординатная информация об объектах наблюдения, которая, в свою очередь, дает возможность оценить пространственное расположение этих объектов. Одновременно с использованием пространственно-временной обработки для решения задач на-
вигации можно использовать методы определения местоположения подвижных объектов в пространстве на основе системы сенсоров, расположенных на поверхности земли.
Среди существующих методов определения местоположения подвижных объектов можно выделить метод мультилатерации [4], который должен занять центральное место в перспективных системах наблюдения и навигации, применяемых в гражданской авиации. Технология мультилатерации (гиперболического позиционирования) предполагает наличие сети наземных приемников. Прием радиосигналов таких приемников позволяет оценить разницу во времени между поступлениями радиосигналов и определить пространственное положение его источника.
Обеспечение целостности аэронавигационной информации на борту ВС
Потребителя аэронавигационной информации интересует результирующий показатель надёжности систем наведения ВС в целом. Для определения результирующего показателя надежности навигационной информации может быть использован метод дерева риска (рис. 1). Он позволяет представить логическую связь между отдельными состояниями и отказами. Дерево риска учитывает влияние всех подсистем, которые используются для получения аэронавигационной информации. Данный метод представляет собой метод графического представления логической связи между отдельным отказным состоянием и причинами или отказами, приводящими к этому состоянию [5].
Принимается, что завершающее событие дерева риска означает потерю ВС вследствие отказа системы навигации, не находящейся на борту ВС. Причины этого события связаны либо с нарушением целостности основного автономного и неавтономного оборудования, находящегося на борту ВС, либо с нарушением непрерывности обслуживания системы навигации, не находящейся на борту ВС (т. е. как основной системы, так и любой вспомогательной системы, используемой для обеспечения решения задачи навигации). Основная навигационная система может включать в себя ряд элементов от 1 до N (например, азимутальный и угломестный элементы). Вспомогательной навигационной системой может являться альтернативная система, находящаяся на борту ВС (например, инерциальная навигационная система).
Определение целостности навигационной аппаратуры предполагает использование алгоритма вычисления целостности. Этот алгоритм предполагает оценку значения целостности и пороговых значений ошибок и сравнение полученных данных с требованиями, представленными в документах ICAO.
С целью оценки уровня целостности системы навигации необходимо определить следующие вероятности: Ра - вероятность потери ВС из-за отказа системы навигации, не находящейся на борту ВС; Рь - вероятность потери ВС из-за нарушения целостности основного навигационного решения; Рс - вероятность потери ВС из-за нарушения непрерывности обслуживания; Рх -вероятность того, что пилот не способен обнаружить нарушение целостности основного навигационного решения и успешно вмешаться в управление после такого события; Рр - вероятность нарушения непрерывности обслуживания основного навигационного решения; Р^ - вероятность потери ВС при выполнении необходимого маневра; Р; - вероятность нарушения целостности основного навигационного решения; Р^ - вероятность нарушения целостности навигационного элемента N; Р^ - вероятность нарушения непрерывности обслуживания навигационного элемента N; Р8 - вероятность потери воздушного судна при выполнении необходимого маневра с обеспечением вспомогательного навигационного решения; Р§1 - вероятность нарушения непрерывности обслуживания вспомогательного навигационного решения; Р§2 - вероятность нарушения целостности вспомогательного навигационного решения; Ри - вероятность того, что пилот не способен успешно вмешаться в управление после нарушения непрерывности обслуживания основного навигационного решения при отсутствии вторичного навигационного
решения, где Ра = Pb + PoPb = Pi Х Px, Pi = Pi1 + Pi2 + ... PiN, Pc = Pp X Pd, Pp = Pp1 + Pp2 + ... PpN;
Pd = Ps X Pu; Ps = Psi + Ps2.
Рис. 1. Изображение дерева риска
Допустимая вероятность Ра завершающего события может быть определена путем разделения общего показателя риска для рассматриваемого конкретного этапа полета ВС между различными классами происшествий. Определенное на основе этого метода допустимое значение Ра необходимо соотнести с значениями целостности и пороговыми значениями ошибок, а также временем предупреждения о сбоях, которые определяются требованиями ICAO.
Использование многопозиционных систем наблюдения для решения навигационных задач в океанических и труднодоступных районах
Многопозиционное наблюдение предполагает наличие сети наземных приемников информации [4]. Прием радиосигналов таких приемников позволяет оценить разницу во времени между поступления радиосигналов и определить пространственное положение его источника. Для этой цели достаточно использовать только два приемника, в результате в пространстве можно построить линию положения (гиперболу), описывающую вероятностное местоположение источника радиосигнала (рис. 2). Радиосигнал третьего приемника позволяет построить еще один
гиперболоид. Четвертый приемник дает возможность определить точку, общую для уже построенных трех фигур. Координаты этой точки соответствуют местоположению источника сигнала, то есть воздушного судна. Точность определения определяется числом сенсоров.
Рис. 2. Иллюстрация многопозиционного метода наблюдения
При использовании многопозиционных технологий для решения задачи навигации в океанических и труднодоступных районах задача формирования инфраструктуры наземной сети сенсоров может оказаться труднорешаемой проблемой. Это определяется не только территориальной протяженностью рассматриваемого воздушного пространства, но достаточно экстремальными климатическими условиями, в которых должна функционировать аппаратура сенсоров.
Одним из возможных путей решения такой проблемы является использование в качестве сенсоров пассивных элементов искусственного происхождения, эксплуатация которых в рассматриваемых условиях не потребует существенных затрат. Реализация методов пространственно-временной обработки радиосигналов, отраженных от таких объектов, в частности, методов радиополяриметрии, предполагает, что эти сенсоры являются чувствительными к изменению поляризационного состояния облучающей их электромагнитной волны. За счет известного географического расположения этих сенсоров можно получать оценки параметров движения ВС на основе мультилатерационного подхода. Глобальное изменение климата и возросшая деятельность на шельфе Северного Ледовитого океана делает возможным размещение сети сенсоров в океанической акватории в заранее известных (с точки зрения координат) местах размещения буровых платформ. Такой подход также укладывается в рамках тенденции увеличения числа полетов по кроссполярным маршрутам и соответственно обеспечения навигации воздушных судов по таким маршрутам.
При решении задачи определения местоположения ВС на основе технологии многопозиционного наблюдения для получения оценочных значений координат ВС могут быть использованы различные методы, среди которых: аналитический метод, метод наименьших квадратов, метод рядов Тейлора, приближенный метод максимального правдоподобия, двухэтапный метод максимального правдоподобия и генетический алгоритм.
Уравнение, описывающее сферы, точкой пересечения которых является предполагаемое расположение ВС, имеет вид
Г,2 = (Х - Х, )2 + (Уо - У, )2 + (2 - 2 )2 , где (xi, у,, г,) - известные координаты точек расположения приемников; (х, у, 2) - координаты точки расположения источника сигнала.
Все перечисленные выше методы предполагают построение системы уравнений, описывающей процессы, происходящие в системе, состоящей из определенного числа сенсоров и точки расположения ВС. Основное отличие этих методов заключается в решении такой системы и получении оценки координат точки расположения ВС. Кроме того, каждый из методов обладает различной точностью определения указанной оценки.
Для оценки эффективности рассматриваемых методов было проведено моделирование в среде Matlab различных ситуаций взаимного расположения сенсоров и объекта наблюдения и различного числа сенсоров. Вид основного окна среды моделирования представлен на рис. 3. Основным методом многопозиционного наблюдения, который был использован при моделировании, был метод оценки разницы во времени прихода радиосигналов от различных сенсоров (TDOA). Выбранное число сенсоров равнялось трем. Красным треугольником обозначено оценочное местоположение ВС, а символом звезды - реальное местоположение.
■) positioning_gui2
В'- ®
10
TDOA Positioning Simulation
Т op View |X-Y Plane]
-S *■
.... A
--3 It L M. ....
W \
10
Set Altitudes
Receivers 1/2
Receivers 5/6 «
Receiver 3/4 і
T ransmitter
Quit
Transmittei and Receiver Locations [m] x У z
S1| 0 I С Г 0
S3 j 9.144 | 0 Г 0
S51 0 [ 9.144 ]“ 0
Ejjtra 2 Altitude S2 S4 se
+ ZJ 3.048 | 3.048 j 3.048
T ransmitter Actual
3.6298 Г 3.42Є6 2
Transmitter Estimated
47342 Error 47393 1.4315
11045 | 1,3127 | 0.5Є852
Error Distance 1.8073 m
TOAAWGNStd. Dev. 500e-12 s
Place RXs
Place TXs Compute
View 3D 17 On the fly
Рис. 3. Вид окна среды моделирования
По результатам моделирования были проведены расчеты величины среднеквадратической ошибки определения местоположения ВС при использовании различных методов оценки.
ЛИТЕРАТУРА
1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. -М.: Радиотехника, 2005.
2. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: Эко-Трендз, 2000.
3. Козлов А.И., Логвин А.И., Сарычев В.А. Поляризация радиоволн. Радиополяриметрия сложных по структуре сигналов. - М.: Радиотехника, 2008.
4. Multilateration. Executive reference guide, 2008.
5. Авиационная электросвязь. - Т. 1. Радионавигационные средства. Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации. ИКАО, 2006.
6. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации / под. ред. Г.А. Крыжановского - М.: Академкнига, 2003.
AIRBORNE AERONAUTICAL INFORMATION INTEGRITY MONITORING AT OCEANIC AND REMOTE AREAS FLIGHTS
Veselov A.V., Korolev A.S., Kolyadov D.V.
In paper there are considered the methods of aircraft location at remote area airspace flights and it is described the approach to monitor a given integrity level of extracted navigation informarion.
Key words: integrity, multilateration, navigation, remote area airspace.
Сведения об авторах
Веселов Алексей Владимирович, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - системы навигации и наблюдения, спутниковые радионавигационные системы.
Королев Артем Сергеевич, 1987 г.р., окончил МГТУ ГА (2009), аспирант кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - системы навигации и наблюдения, спутниковые радионавигационные системы.
Колядов Дмитрий Валерьевич, 1976 г.р., окончил МАИ (1999), доктор технических наук, доцент кафедры технической эксплуатации радиоэлектронных систем воздушного транспорта МГТУ ГА, автор около 75 научных работ, область научных интересов - радиолокация, радиополяриметрия, радионавигация, управление воздушным движением, авиационные телекоммуникационные системы.
