CC BY
131
УДК 629.735.015:681.3
ОТОБРАЖЕНИЕ ИНФОРМАЦИИ О КОНФЛИКТНЫХ СИТУАЦИЯХ НА КАБИННОМ ИНДИКАТОРЕ ВОЗДУШНОГО СУДНА
В.С. ОРЛОВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рудельсоном Л.Е.
Стабильный рост интенсивности воздушного движения неизбежно приводит к перегрузке диспетчеров и, как следствие, снижению уровня безопасности полетов. Резервы по совершенствованию систем УВД (увеличение числа секторов, автоматизация и интеллектуализация автоматизированных систем УВД) также не беспредельны. В то же время внедрение новых технологий CNS/ATM и связанное с этим значительное увеличение информационной осведомленности борта делают возможным значительное перенесение ответственности за безопасность полетов на борт. Именно такая задача рассматривается в настоящей статье, показаны примеры индикации на навигационном дисплее прототипа кабины перспективного самолета гражданской авиации.
Ключевые слова: метод потенциальных полей, предотвращение опасных сближений, символы индикации и предотвращения конфликтов.
Введение
Внедрение в аэронавигационной отрасли новых технологий связи, навигации и наблюдения (CNS Communication, Navigation, Surveillance) - является предпосылкой возможности делегирования части ответственности от наземного диспетчера УВД на борт. Одна из важнейших групп задач, базирующихся на бортовой функции наблюдения, связана с обеспечением безопасности полета - обнаружением и предотвращением опасных сближений воздушного судна (ВС) с другими ВС, опасными метеоявлениями, землей. Для решения первых двух задач в составе бортовой авионики перспективных транспортных самолетов предполагается система ASAS (Aircraft Surveillance Applications System/бортовая система приложений наблюдения). В целом система обеспечения безопасности полета является человеко-машинной системой с пилотом в контуре управления. Поэтому ключевыми элементами этой системы являются ее «интеллектуальная» часть, реализующая собственно алгоритмы прогнозирования опасных сближений (CD - conflict detection) и выработки рекомендаций пилоту для их предотвращения (ACM Airborne Conflict Management), а также система отображения, помогающая пилоту оценить воздушную обстановку и принять решение.
1. Описание системы ASAS
В состав системы ASAS коммерческого транспортного ВС будут входить система обработки данных наблюдения и обеспечения эшелонирования, кабинный индикатор информации о воздушном движении (навигационный дисплей), система оповещения и панель управления.
Архитектура системы ASAS в составе общей структуры наблюдения представлена на рис. 1. Функция системы обработки информации заключается в выполнении расчетов данных о прогнозируемых линиях пути окружающих ВС, о прогнозируемых опасных сближениях, о возможных и рекомендуемых маневрах ВС для уклонения от опасных сближений, а также других расчетов, которые необходимы для конкретных видов применения. Система обработки информации должна обеспечивать выдачу данных о линиях пути других воздушных судов, отображение информации об этих линиях пути на кабинном индикаторе, а также данных, предупреждающих об опасных сближениях и предлагаемых способах их предупреждения. Кабинный индикатор CDTI (Cockpit Display of Traffic Information) выполняет функцию интерфейса между системой обработки данных и летным экипажем.
Источники данных на передающем ВС
Источники
данных наблюдения
\
Подсистема
передачи TIS-B —►
Наземная (-ые) система (-ы)
Рис. 1. Архитектура системы ASAS в составе общей структуры наблюдения Выходные данные ASAS представляются в формате донесений системы автоматического зависимого наблюдения, которые принимает и обрабатывает подсистема ADS-B/TIS-B, и данные о собственных навигационных характеристиках, которые поставляют самолетные датчики.
2. Идея метода предотвращения опасных сближений
Ранее [1; 2] были предложены и исследованы алгоритмы обнаружения и предотвращения опасных сближений, основанные на методе потенциальных полей (МПП). Метод потенциальных полей широко известен как простой, низкоуровневый алгоритм навигации робота, заключающийся в том, цель должна притягивать робота, а препятствия, наоборот, отталкивать. Робот вычисляет вектор, который является функцией целевой точки, и окружающие препятствия. Итоговый вектор движения робота формируется как суперпозиция векторов притягивания и отталкивания. Это один из самых простых и эффективных алгоритмов навигации. В качестве методики определения векторов сопротивления используются простые формулы из физики. Они рассчитываются только по показаниям сенсоров в текущий момент времени, т.е. если робот не видит препятствие, то и сопротивления оно не оказывает, даже если в памяти робота (на карте) это препятствие присутствует.
Недостатки метода состоят в том, что построенные на его основе алгоритмы навигации хоть и позволяют достигать цель, но являются по сути "локальными", т.е. "близорукими" и неэффективными для обнаружения сложных целей. Метод критикуется за высокую вероятность попадания агента-робота в локальный минимум. Однако на практике эта вероятность весьма мала и может быть значительно уменьшена за счет дополнительных, высокоуровневых надстроек. В приложении к задаче обнаружения конфликтов алгоритмы обладают определенной универсальностью:
- обеспечивают применение как в условиях трассовых, так и свободных полетов;
- обеспечивают выработку решений как в случае парного, так и множественных конфликтов.
Метод потенциальных полей был впервые предложен в 1994 году [3] и в дальнейшем рассматривался и исследовался в ряде работ [4-6]. Используемая для формирования маневра стратегия основывается на понятии потенциала полей заряженных тел. Принцип МПП состоит в том, что объект (управляемое ВС) движется под влиянием искусственных потенциалов. Целью назначается потенциал, который притягивает объект в ее сторону, в то время как препятствиям назначаются потенциалы, которые отталкивают объект от них. Соответственно результирующая сила воздействия на объект определяется суммой сил отталкивания объекта от всех препятствий и силой притяжения к текущей цели (рис. 2).
Рассматривается следующая аналогия: на движущиеся положительные заряды (имитирующие ВС) действуют силы притяжения к фиксированным (неподвижным) отрицательным зарядам (имитирующим очередные промежуточные точки маршрута) в силу взаимного притяжения противоположных зарядов. Тем самым должно обеспечиваться движение по траектории, близкой к плановому маршруту. Наоборот, положительно заряженные тела отталкиваются друг от друга, так как действует взаимное отталкивание между подобными зарядами. Этим самым предотвращается опасное сближение между ВС. В динамике в каждый текущий момент времени ВС движется под действием сил «притяжения» и «отталкивания». Сила притяжения притягивает ВС к очередной промежуточной точке маршрута. Силы отталкивания возникают от других, потенциально опасных для участников движения объектов (других ВС и закрытых областей). Силы отталкивания суммируются как векторы, независимо от источника возникновения конфликта. Маневр разрешения конфликта для ВС формируется под действием результирующей силы.
Преимуществом метода потенциальных полей является достаточная простота реализации, а также возможность одновременного разрешения множественных конфликтов. Подчеркнем, что модель предназначена не столько для исследования природы возникновения конфликта, сколько для отработки состава и форм отображения пилотам и наземным службам информации о его обнаружении средствами системы.
Методика вычисления условных сил отталкивания и притяжения должна обеспечивать формирование команд, реализующих физически интерпретируемое угловое движение вектора скорости ВС. В методе потенциальных полей при определении требуемого изменения направления вектора скорости управляемого ВС используется механическая аналогия движения материальной точки под действием суммы сил (рис. 3). Суммарная условная сила воздействия на ВС Fres имеет тангенциальную Ft и нормальную Fn составляющие. Тангенциальная составляющая должна привести к появлению производной в изменении величины скорости dV/dt = Ft/m, а нормальная - к появлению угловой скорости поворота вектора скорости, по величине равной = Fn/mV.
В соответствии с предлагаемым подходом при использовании механической аналогии для выработки команды управления (заданного курса) ВС предлагается:
- тангенциальной составляющей силы пренебрегать, т.е. реализовывать только боковой маневр, маневр скоростью отсутствует;
- угловое движение выбирается, исходя из нормальной составляющей условной силы.
О
самолет
О
О
пункт назначения
* в
самолет
самолет
Рис. 2. Физическая интерпретация метода потенциальных полей
Рис. 3. Разложение результирующей силы F
При этом методика вычисления условных сил должна обеспечивать физически интерпретируемые значения углов поворота и угловых скоростей вектора скорости. При максимальной силе уклонения (или силе притяжения) должна "получаться" максимально возможная угловая скорость. При этом связь между нормальной силой и угловой скоростью разворота вектора скорости определяется как wV = Fn /V (принимается условная единичная нормированная масса m = 1). Управление направлением полета ВС осуществляется по углу курса. Рекомендацию по углу курса y*, с учетом используемой (считающейся известной) величины добротности канала курса системы стабилизации DK, через значение угловой скорости wV получим в виде y* = y + wV/DK.
3. Предложения по вариантам индикации
Математическим моделированием подтверждена эффективность предложенных алгоритмов. По результатам исследований принято решение приступить к макетированию бортовых алгоритмов и проведению исследований в условиях полунатурного стендирования.
Отработка макетов приложений ведется на стенде полунатурного моделирования, ключевыми элементами которого являются следующие подсистемы:
- имитационная модель динамической воздушной обстановки (МДВО). МДВО включает в себя модели диспетчерских пунктов управления, обеспечивающих управление потоком воздушного движения (ВД) со стороны системы УВД, множество моделей ВС, выполняющих полеты по заданным маршрутам, представляющее собой собственно управляемый поток ВД и модель «своего» ВС, на котором проводилось функциональное тестирование бортовых алгоритмов и прототипирование системы индикации;
- полунатурная модель воздушного судна, включающая прототип кабины ВС со своим оборудованием (вычислительные средства, имитаторы средств наблюдения, навигации и связи, органы управления и визуализации, система отображения закабинной обстановки).
Первая подсистема разработана ФГУП «ГосНИИАС», а вторая - ФГУП «Пилотажно-исследовательский центр». Программное обеспечение кабины, касающееся реализации функции ASAS, - совместной разработки.
Одной из целей исследований является поиск наиболее подходящих для восприятия пилотов вариантов отображения конфликтов на кабинном дисплее полетной информации (CDTI - Cockpit Display of Traffic Information).
За основу отображаемых символов окружающих ВС и параметров конфликта были приняты символы, предложенные и используемые в отчете компании NLR [7] (рис. 4), на который ссылаются стандарты RTCA [8]. Результаты работы алгоритмов обнаружения и выработки рекомендаций представляются пилоту на навигационном дисплее для дальнейшего использования при принятии решений.
Здесь "шевронами" А обозначены окружающие ВС. В формулярах над ними информация о высоте, скорости, рейсе, направлении вертикальной скорости. Конфликтующий самолет окрашен в
бледно-серый цвет, а в его формуляр добавлена информация о времени до встречи. Зона опас-
Рис. 4. Символы ВС и параметров конфликтной ситуации NLR
ного сближения отмечена бледно-серой пунктирной окружностью с центром предполагаемого нахождения конфликтующего самолета в прогнозируемое время максимального сближения. Бледно-серая дуга на курсовой шкале отмечает зону "запретных" курсовых углов, усугубляющих конфликт, темно-серая дуга - курсы, на которых могут возникнуть конфликты с другими ВС. Рекомендуемый курсовой угол отмечен пунктирной серой прямой. Другие символы прямого отношения к конфликту не имеют.
В табл. 1 представлены выбранные графические примитивы и возможные варианты индикации предупреждающей информации о вероятном конфликте на экране навигационного дисплея.
Таблица 1
Индикация предупреждающей информации о вероятном конфликте
Используемые примитивы Символы на экране
Зона опасного сближения: о тип - окружность; о радиусом 8-9км (5 морских миль); о цвет - желтый (красный); о тип линии - пунктир; о толщина линии - 1 пиксель; о заливка круга - отсутствует. О
Прогнозируемая траектория конфликтующего самолета: о тип - линия; о тип линии - пунктир; о толщина линии - 1 пиксель; о цвет линии - желтый; о начало - символ самолета; о конец - в прогнозируемой точке максимального сближения.
Символы «целевого» самолета: о тип - шеврон; о направление - острым углом по вектору скорости; о цвет: светло-голубой, если конфликт не прогнозируется; желтый, если конфликт прогнозируется; красный, если самолеты в опасной зоне.
Формуляр конфликтующего самолета: о идентификатор, например «АКМ125»; о Н - высота в км (с десятичными долями); о направление вертикальной скорости <ф>,«|»,«-»; о Т 1.5 - время до сближения (в минутах, с округлением до 0.5 минуты). А К ГП 2 5
4. Примеры индикации
В данном разделе представлены возможные формы отображения конфликтных ситуаций между ВС на прототипе навигационного дисплея в составе МДВО.
Предложенные примитивы реализованы на прототипе навигационного дисплея «своего» ВС в составе МДВО. Координаты центра окружности опасного сближения совпадают с координатами конца траектории конфликтующего самолета (рис. 5). Здесь, как и в упомянутом отчете ЫКЬ, прогнозируется положение опасной зоны вокруг либо «чужого» самолета, либо зоны ограничения воздушного пространства.
Т 1.5 АКМ126 Н 10.1 -Y
Y"'1"
Рис. 5. Вид парного (слева) и множественного (справа) конфликтов
Отображение конфликтной ситуации на навигационном кадре прототипа кабины ВС.
На прототипе кабины ВС, по сформулированным предложениям, реализован вывод информации от системы ASAS. На рис. 6 представлено отображение воздушной обстановки в полете на момент прогноза опасного сближения. В центре окружности в форме треугольника указано расположение своего ВС. Стрелками указаны окружающие ВС на интервале высот между соседними эшелонами полета. В зафиксированной на рисунке геометрии расположения ВС прогнозируется нарушение нормы эшелонирования между своим ВС и рейсом TSO33. Прямо по курсу от своего ВС пунктиром отображена окружность радиусом 9 км (что соответствует нормам эшелонирования) с центром в месте прогнозируемого конфликта. Центр этой окружности пунктирной линией соединен с символом конфликтующего ВС, рядом с которым в рамке высвечен формуляр с характеристиками прогнозируемой конфликтной ситуации. В верхней строке формуляра указано время, оставшееся до нарушения норм безопаности (04:21). Во второй индицируется разность высот в десятках метров (+00), в третьей - позывной номер конфликтующего ВС. На шкале курсов (окружность самого большого радиуса) жирными линиями выделены два диапазона закрытых углов курса, полет с которыми будет приводить к конфликтам (113°-138°) и (152°-161°). Сверху в правом углу диапазона закрытых углов курса символом «заданного курса» ImS показано рекомендуемое значение курса (161°) для уклонения от опасного сближения.
Таким образом, пилоту выдается предупреждение об опасности нарушения норм эшелонирования при полете с текущим курсом. Показаны диапазоны курсовых углов, с которыми либо продолжится текущий конфликт, либо появятся новые. Информация об обнаруженном прогнозе конфликта выводится как графически, в виде места опасного сближения и окружности зоны безопасности, так и в виде параметров опасного сближения в формуляре. Для помощи в принятии решения по уклонению, на шкале курсов символ «заданного курса» перемещается на рекомендуемое алгоритмом предотвращения опасного сближения значение.
Для наглядности на рис. 6 показана достаточно простая воздушная обстановка, однако было проведено моделирование и сложных сценариев с множественными потенциальными конфликтами ВС с другими ВС и областями опасных явлений погоды, когда успешный самостоятельный выбор эшелона движения пилотом без помощи системы ASAS становится практически невозможным.
Рис. 6. Модель навигационного дисплея кабины
Заключение
Созданное алгоритмическое и программное обеспечение функции ASAS при наличии информации об окружающей воздушной обстановке на борту ВС обеспечивает повышенную ситуационную осведомленность пилота. Разработанная индикация позволяет своевременно обнаруживать опасные ситуации, подсказывает, в каких направлениях полет невозможен и предлагает рекомендуемое текущее направление полета (либо даже новый, допустимой с точки зрения безопасности обходной маршрут).
ЛИТЕРАТУРА
1. Дегтярев О.В., Орлов В.С., Пучков Б.В. Разработка бортовых алгоритмов обнаружения и децентрализованного разрешения опасных сближений в воздухе, основанных на методе потенциальных полей // Труды симпозиума «Интеллектуальные системы» (INTELS'2010). - Владимир, 2010.
2. Канадин В.Н., Орлов В.С., Пучков Б.В. Применение имитационного моделирования при функциональном тестировании приложений функции наблюдения // Труды юбилейной конференции ГосНИИАС. - М.: ГосНИИАС, 2011.
3. Architecture of National Airspace System (NAS). Concepts for Future NAS Operations. Department of Transportation, FAA, 1996.
4. Zeghal K. A Review of Different Approaches based on Force Fields for Airborne Conflict Resolution. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, 1998.
5. Wallace E., Kelly I. Advances in Force Field Conflicts Resolution Algorithms. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference, 2000.
6. Богатырев Д.Ю., Дегтярев О.В., Орлов В.С. Применение функции ASAS в системе кабинной индикации ВС // Труды симпозиума «Интеллектуальные системы» (INTELS'2012). - Вологда, 2012.
7. Отчет компании National Aerospace Laboratory NLR. Адрес в интернете: http://hosted.nlr.nl/public/ hosted-sites/freeflight/main.htm.
8. Application of airborne conflict management: detection, prevention, & resolution, DO-263, RTCA Inc., 2000.
DISPLAY OF INFORMATION ON CONFLICT SITUATIONS ON THE PILOT COCKPIT SCREEN
Orlov V.S.
Stable growth in air traffic inevitably leads to an overload of traffic controllers and, consequently, reduces the level of safety. Provisions to improve the air traffic control systems (increase in the number of sectors, automation and intellectual-ization of automated ATC systems) are not unprecedented separately. At the same time, the introduction of new CNS/ATM technologies and the associated significant increase information awareness side, allow a significant transfer of responsibility for safety on board. It is this problem is considered in this paper are examples of displays on the navigation screen of the prototype aircraft cockpit perspective of civil aviation.
Key words: potential fields method, prevention of near misses, the characters display and conflict prevention.
Сведения об авторе
Орлов Владимир Станиславович, 1981 г.р., окончил МАИ (2004), начальник сектора ФГУП "ГосНИИАС", автор 9 научных работ, область научных интересов - информационные технологии, математическое моделирование, системы управления.
