CC BY
54
2006
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
№99
УДК. 621.396
ВАРИАНТ СИНТЕЗА БОРТОВОЙ СИСТЕМЫ КОНТРОЛЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПИЛОТАЖНО-НАВИГАЦИОННОГО
КОМПЛЕКСА
Э.А. БОЛЕЛОВ, К.К. СКОГОРЕВ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Кузьминым А.Б.
В статье рассматривается вариант синтеза бортовой системы контроля и диагностирования пилотажнонавигационного комплекса с использованием метода функционального контроля и диагностирования, основанного на положениях теории инвариантности.
Пилотажно-навигационный комплекс (ПНК) летательного аппарата (ЛА) представляет собой сложную техническую систему и является информационным элементом замкнутого контура наведения ЛА в заданную навигационную точку (ЗНТ) [1, 2].
В процессе функционирования ПНК по назначению его технические характеристики подвержены изменениям относительно их номинальных величин, что вызвано особенностями реализации его составных элементов и условиями эксплуатации. Эти изменения могут привести к значительному ухудшению качества функционирования ПНК, вплоть до полной потери его работоспособности.
Оценка работоспособности ПНК производится по величине отклонения некоторого показателя качества от экстремального значения, на которую, исходя из технических требований к комплексу, задаются допуски. Если показатель качества находится в пределах допуска, то комплекс считается работоспособным, в противном случае фиксируется его отказ.
Существуют два основных подхода к решению задач контроля и диагностирования сложных технических систем [3]. Теоретическим обоснованием первого подхода служат методы тестового контроля и диагностирования, позволяющие за счет искусственно созданных сигналов (тестов) в специальных режимах работы комплекса определить характеристики элементов, сравнить их с допусками и сделать заключение о качестве его функционирования. Эти методы контроля и диагностирования обладают достаточной полнотой контроля и глубиной диагностирования, но имеют низкую методическую достоверность.
Второй подход связан с методами функционального контроля и диагностирования, когда заключение о работоспособности комплекса производится без использования специальных тестов и режимов работы, т.е. контроль и диагностирование осуществляются в процессе функционирования комплекса по назначению.
Функциональный контроль и диагностирование реализуется по двум направлениям. Первое из них основано на методах теории идентификации и адаптивного оценивания, позволяющих одновременно получать оценки переменных состояния и значений характеристик элементов комплекса, которые также сравниваются с допусками на них, чтобы принять решение о качестве его функционирования. Особенности применения этих методов рассматриваются достаточно подробно, например, в [3, 4].
Второе направление использует методы теории инвариантности, когда за счет структурной, информационной и функциональной избыточности в комплексе определяются контрольные условия, связывающие между собой переменные состояния, инвариантные к истинным значе-
ниям. Основное преимущество функционального контроля и диагностирования, основанного на методах теории инвариантности, заключается в высокой методической достоверности [5]. Более того, в рамках перспективной системы эксплуатации ПНК приоритет отдается функциональному методу контроля и диагностирования в целях решения задачи оперативного управления техническим состоянием комплекса.
В статье рассматривается вариант синтеза бортовой системы контроля и диагностирования (БСКД) ПНК с использованием метода функционального контроля и диагностирования, основанного на положениях теории инвариантности.
Пусть решается задача вывода ЛА в ЗНТ с известными координатами x зад, узад одним из известных способов в земной системе координат OXY (рис. 1). Местоположение ЛА ОС характеризуется текущими координатами xт, ут ; величиной воздушной V и путевой W скорости и направлением полета ф . Для коррекции координат местоположения ЛА используется радиомаяк (РМ) системы ближней навигации с координатами x рмбн, у рмбн.
Пилотажно-навигационный комплекс, являясь информационным элементом в замкнутом контуре наведения ЛА в ЗНТ, осуществляет измерение параметров движения ЛА в условиях возмущений и помех с известными статистическими характеристиками. В состав ПНК входят следующие устройства и системы:
инерциальная навигационная система (ИНС), обеспечивающая измерение составляющих
путевой скорости Wxи и Wy, а также значение текущего курса ф;
система воздушных сигналов (СВС), измеряющая значение воздушной скорости V и абсолютной высоты полета Нб;
доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС), измеряющий значения составляющих путевой скорости WxД, Wy и угла сноса а;
точная курсовая система (ТКС), измеряющая значение курса ЛА ф ;
радиотехническая система ближней навигации (РСБН), обеспечивающая определение азимута 0 и наклонной дальности до радиомаяка (РМ) Дрм;
радиовысотомер, обеспечивающий измерение истинной высоты полета Нр .
На основании технических характеристик входящих в ПНК устройств известны минимальные и максимальные среднеквадратические ошибки измеряемых ими параметров, в пределах которых устройства, входящие в ПНК, считаются работоспособными.
Требуется разработать:
контрольные условия (КУ), позволяющие определить вид технического состояния ПНК на множестве значений точностных характеристик входящих в него устройств и систем, что позволит повысить достоверность принимаемого решения о виде технического состояния ПНК;
алгоритм функционального контроля и диагностирования ПНК, позволяющий однозначно выделить причину отказа ПНК с глубиной до канала измерения параметра.
Предполагается, что вероятность одновременного отказа двух и более устройств, входящих в ПНК, практически равна нулю; направление 8 и скорость ветра U являются известными и постоянными на протяжении всего полета в ЗНТ.
Для построения БСКД воспользуемся структурной и функциональной избыточностями в ПНК и определим контрольные условия, связывающие между собой измеренные значения параметров, которые инвариантны к их истинным значениям. Рассмотрим простые геометрические соотношения, соответствующие решению навигационной задачи (рис. 1).
Рис. 1. К решению навигационной задачи
Соотношения
W x = V sin f — U sin S , Wy = V cos f — U sin S
являются тождествами, т.е. они справедливы для любых истинных значений входящих в них параметров. Используя информацию от ИНС и СВС и известные значения направления S и скорости ветра U, можно определить КУ, связывающие измеренные СВС и ИНС значения навигационных параметров:
V--
WU - U sin d
V-----------------y-
sin^
- U cos d
<AU
cos f
< A.
На основании соотношения
Wx2 + Wy2
W
определим КУ для измеренных ДИСС и ИНС значений составляющих путевой скорости в виде:
V(W? )2+К* )2 -^w )2+Ки ):
<А,
а также путем сравнения измеренных значении:
W і
-Wxu <А4,
Wyg - Wyu < А 5
Аналогично из соотношении:
( д, sinq+x^), ут = (Др cosq+у'™),
рсбн > 'М
x
т
где Др=4 Дрм - Нб определяются КУ связывающие счисленные ИНС (или ДИСС) координаты, значение наклонной дальности до РМ и азимута, определенные с помощью аппаратуры РСБН и значение абсолютной высоты, полученное от барометрического высотомера:
*„ - и Дрм - Нб ™в+хГ) <а 6
Ут - и Дрм - Нб оо80+урт) <А 7.
Для азимутального канала РСБН и счисленных ИНС (или ДИСС) координат ЛА можно за-
писать КУ
уРСбн - у
0- агоїв рмб Ут < А8.
0 грсбн 8
х — X
рм т
Используя соотношение
Дрм = # т - X РМбн )2 +(у т - У РГ )
можно определить КУ, связывающее счисленные ИНС (или ДИСС) координаты ЛА и значение наклонной дальности, измеряемое РСБН
X т - X рмбн )2 +(у т - У р?' )2 - Дрм <А,.
Для измеренных значений истинной и абсолютной высоты можно определить КУ:
Нр - Нб £ А10 •
Для значения курсового угла, измеренного с помощью ИНС и ТКС, можно записать КУ:
Фи-Фткс £АП.
Необходимо заметить, что в КУ А11 для простоты полагается, что известна высота рельефа местности в каждой точке маршрута.
Сформированные КУ сведены в табл. 1, причем знаком «+» обозначен факт наличия измеряемых устройствами параметров в каждом из КУ.
В общем случае можно сформировать множество КУ, однако для заданной глубины диагностирования существует минимальное количество КУ, позволяющих произвести функциональный контроль и диагностирование устройств, входящих в ПНК. Как видно из табл. 1, для глубины диагностирования до информационного канала (измеряемого параметра), минимальной будет совокупность КУ А1, А3, А 4, А 6, А7, А 8, А9, А10, А11.
Таблица 1
КУ Параметры Устройства ПНК
ИНС ДИСС СВС РСБН РВ ТКС
А! Wxи, V, ф + + +
А 2 Wуи, V, ф + + +
А 3 Wxи, Wуи, Wxд, Wуд + +
А 4 Wxи , Wxд + +
А 5 WуИ , WуД + +
Продолжение табл. 1
А 6 хт , Дрм , 6 , Нб + + +
А 7 ут , Дрм , 0 , Нб + + +
А8 хт, ут, 0 + +
А 9 хт , ут , Дрм + + +
А10 Нб, Нр + +
Ац ф + +
В фиксированный момент времени КУ являются случайными величинами, статистические характеристики которых определяются известными статистическими характеристиками измеренных значений параметров и видом функционального преобразования. Следовательно, на А;, где 1=1,3,4,6,.. .,11 можно определить допуски Ад, соответствующие работоспособным видам
технических состояний устройств, входящих в состав ПНК.
Если хотя бы одно из КУ выходит за пределы допуска, то один из параметров, входящих в это КУ, имеет недопустимую ошибку и необходимо решать задачу диагностирования с точностью до информационного канала (измеряемого параметра). Например, если А1 выходит за пределы допуска, то делается заключение о неработоспособном состоянии ПНК и далее анализируется А3 . В случае, если А3 находится вне поля допуска, принимается решение об отказе СВС по каналу измерения параметра V, если же А 3 не выходит за пределы допуска, то принимается решение об отказе ИНС по параметрам 'х или ф, и далее решается задача определения одного из отказавших информационных каналов с помощью КУ А11 .
На основании сформированных КУ можно определить структуру БСКД ПНК (рис. 2). Основными элементами данной системы являются:
вычислитель контрольных условий (ВКУ), реализующий операции вычисления формирования значений контрольных;
устройство анализа (УА), осуществляющее сравнение контрольных условий с значениями допусков на них и выдачу информации о техническом состоянии ПНК.
Рис. 2. Структура БСКД ПНК
Использование рассмотренного метода функционального контроля и диагностирования технического состояния ПНК дает возможность непрерывного анализа технического состояния ПНК без нарушения режима функционирования комплекса и обеспечивает оперативность получения информации о изменении технического состояния. Эти качества наряду с высокой методической достоверностью диагностирования определяют наиболее целесообразную область применения рассмотренного метода функционального контроля и диагностирования - для контроля технического состояния ПНК в полете.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ярлыков М.С., Богачев А.С. Авиационные радиоэлектронные комплексы. - М.: ВАТУ, 2000.
2. Буравлев А.И. и др. Управление техническим состоянием динамических систем./Под общ. ред. И.Е. Казакова. - М.: Машиностроение, 1995.
3. Давыдов П.С. Техническая диагностика радиоэлектронных устройств и систем. - М.: Радио и связь, 1988.
4. Кузьмин А.Б. Функциональный контроль и коррекция состояния контура управления подвижного объекта. //Автоматика и телемеханика, 1990, №4.
5. Кузьмин А.Б. Достоверность допусковых методов контроля сложных технических систем. //Автоматика и телемеханика, 1987, №10.
VARIANT OF SYNTHESIS OF THE ONBOARD CONTROL AND DIAGNOSINGS SYSTEM OF
A FLIGHT NAVIGATING COMPLEX
Bolelov E.A., Skogorev K.K.
In article the variant of synthesis of the onboard control and diagnosing system of a flight navigating complex with use of a method of the functional control based on positions of the theory of invariancy is considered.
Сведения об авторах
Болелов Эдуард Анатольевич, 1967 г.р., окончил ВВИА им. Н.Е. Жуковского (1997), кандидат технических наук, преподаватель ВВИА им. Н.Е. Жуковского, автор 15 научных работ, область научных интересов - эксплуатация сложных технических систем.
Скогорев Константин Константинович, 1977 г.р., окончил ВВИА им. Н.Е. Жуковского (2004), адъюнкт, область научных интересов - эксплуатация сложных технических систем.
