Разработка методов повышения точности и надежности навигации дальнемагистральных самолетов в ситуациях с неполной информацией

Актуальность работы. Современные дальнемагистральные самолеты выполняют полеты в регионах с недостаточным обеспечением наземными радиотехническими средствами навигации в условиях действия требуемых навигационных характеристик RNP-RNAV. В расчетных условиях эксплуатации навигационное оборудование этих самолетов обеспечивает выполнение установленных требований к точности аэронавигации. Но в практике полетов продолжают иметь место случаи полных и функциональных отказов навигационных датчиков и вычислителей, погрешностей измерений навигационных параметров, выходящих за допустимые пределы, а также различных нарушений в функционировании системы аэронавигационного обеспечения полетов. Такие ситуации уменьшают возможности навигационного эргатического комплекса (НЭК) по выполнению установленных в данном регионе требований к точности аэронавигации, то есть приводят к снижению навигационной способности воздушных судов (ВС).

Аэронавигация — это информационный процесс, поэтому ее качество зависит от качества информации в контуре управления, а также алгоритмов ее обработки. Все перечисленные ситуации характеризуются дефицитом или искажением необходимой для управления информации, и поэтому обозначены как ситуации с неполной информацией (СНИ).

Возможность повышения точности и надежности аэронавигации при возникновении СНИ обусловлена двумя факторами. С одной стороны, современные навигационные комплексы обладают существенной информационной избыточностью за счет дублирования и резервирования датчиков и систем, что дает возможность использования дополнительных информационных ресурсов для повышения качества навигации. С другой стороны, наличие в контуре управления человека (навигатора), позволяет обеспечить гибкость используемых алгоритмов управления в зависимости от полетной ситуации. Навигатор может повысить качество навигационного процесса на основе применения специально разработанных методов обработки информации и принятия навигационных решений, позволяющих снизить вероятность возникновения и отрицательные последствия СНИ. И наоборот, неоптимальные действия экипажа в таких ситуациях приводят, как показывает практика, к навигационным инцидентам.

На протяжении десятилетий основным направлением развития навигационной науки являлось совершенствование технических средств навигации, повышение их точности, надежности и функциональных возможностей. В последние годы этом направлении достигнут значительный прогресс, связанный в первую очередь с внедрением спутниковых навигационных систем (CHQ. Вместе с тем, действиям навигатора, особенно в СНИ, не уделялось достаточно внимания ни в научной, ни в нормативно-методической литературе. Это является одной из причин возрастания роли человеческого фактора в возникновении навигационных инцидентов.

Актуальность темы

данной диссертационной работы обусловлена необходимостью решения проблем, возникающих в навигационной практике экипажей дальнемагистральных самолетов (в том числе самолетов Ил-96−300) и связанных с обеспечением требуемой точности навигации в СНИ.

Целью работы является разработка применяемых экипажем при подготовке и выполнении полета методов технологического и организационного характера, основанных на максимальном использовании имеющихся информационных ресурсов и направленных на обеспечение требуемой точности и надежности аэронавигации дальнемагистральных самолетов в ситуациях с неполной информацией.

Основные задачи. Для достижения цели в работе ставились задачи:

— выявить влияние дефицита и искажения различных видов информации на точность и надежность аэронавигации;

— разработать предложения по устранению недостатков информационного обеспечения экипажей в процессе предполетной подготовки;

— проанализировать и обобщить приведенные в нормативных документах и методической литературе рекомендации по действиям экипажа в условиях недостатка информации;

— провести анализ информационного обмена «экипаж-диспетчер» в регионе Северной Атлантики и разработать предложения по совершенствованию технологии работы экипажа в целях снижения вероятности операторскихошибок;

— на основе анализа экспериментальных данных о погрешностях счисления пути инерциальной навигационной системой (ИНС) «Litton-90−100», установленной на Ил-96−300, разработать применимую экипажем в полете процедуру выбора наиболее точной ИНС;

— разработать методику послеполетного контроля ИНС в целях своевременного выявления снижения навигационной способности ВС;

— разработать методику выполнения полета по локсодромии с использованием данных ИНС при отказе навигационного вычислителя и исследовать возможность использования магнитной локсодромии при полетах в регионе Северной Атлантики.

Объектом исследования является процесс аэронавигации дальнемагистральных воздушных судов.

Предмет исследования — методы повышения точности и надежности аэронавигации в ситуациях с неполной информацией.

Методологической и теоретической основой исследования являются научные труды отечественных и зарубежных авторов (Ганыиина В. Н., Гильбо Е. П., Золотарева В. М., Липина А. В., Медича Дж., Молоканова Г. Ф., Паркинсона У., Пешехонова В. Г., Пугачева В. С., Сарайского Ю. Н., Трухаева Р. И. и др.) в области теории воздушной навигации и аэронавигационного обеспечения полетов, математической статистики и теории оптимальных оценок. В процессе решения поставленных задач использовались экспериментальные методы сбора данных о погрешностях ИНС, методы статистической обработки результатов измерений, теории массового обслуживания, теории принятии решений и оптимизации измерений, а также методы статистического моделирования с использованием ЭВМ.

Информационная база исследования включает в себя научные источники, официальные документы, статистические материалы отечественных и зарубежных организаций, а также результаты собственных расчетов и экспериментов, проведенных автором в полетах на самолете Ил-96−300. Научная новизна работы.

1. Впервые проведен сбор и анализ большого объема экспериментальных данных о погрешностях ИНС на самолетах с вычислительной системой самолетовождения (ВСС-85).

2. На основании экспериментальных данных обоснована целесообразность использования распределения Лапласа для погрешностей счисленных координат и разработана методика оценки соответствия точности счисления требуемым навигационным характеристикам.

3. Предложен новый метод контроля и выбора ИНС экипажем в полете, основанный на независимом мажорировании по проекциям.

4. Разработан метод полета по смещенной локсодромии с использованием ИНС с обоснованием возможности использования магнитной локсодромии при полетах по трекам Северной Атлантики, позволяющий существенно повысить точность аэронавигации при отказе бортового компьютера.

Практическая ценность и реализация результатов работы.

Применение разработанных в диссертации методов в практике летной работы экипажей и при послеполетном обслуживании ИНС позволяет повысить точность аэронавигации дальнемагистральных самолетов в ситуациях с неполной информацией.

Результаты исследований автора использованы: — при разработке «Инструкции по взаимодействию и технологии работы экипажей ВС Ил-96−300» (утверждена руководителем департамента летных стандартов Государственной службы гражданской авиации);

— -при разработке «Инструкции по производству полетов по маршруту Москва-Гавана» (утверждена Летным директором ОАО «Аэрофлот»);

— при внедрении формата Главного Документа, применяемого для полетов в регионе Северной Атлантики, а также формата путевых углов в навигационных расчетах, предоставляемых SITA.

Апробация работы. Материалы диссертации обсуждались на 9-й Санкт-Петербургской Международной конференции по интегрированным навигационным системам (НТЦ «Электроприбор», 2002 г.), на семинарах «Летная эксплуатации ВС» (Гос. НИИ «Аэронавигация», 2001 и 2003 гг.), на Г заседании Российского общественного института навигации (Москва, 2003 г.), на Конференции аспирантов и молодых ученых (Академия ГА, 1998 г.), на семинарах кафедры аэронавигации Академии ГА, на летно-технических конференциях ОАО «Аэрофлот», в дискуссиях автора со специалистами НИИ АО (г. Жуковский) и фирмы «Litton Aeroproduct» (Лос-Анджелес, США). По результатам исследования опубликовано шесть печатных работ. На защиту выносятся:

— результаты анализа погрешностей инерциального счисления ИНС по экспериментальным данным;

— методика оценки точности ИНС по результатам послеполетных процедур;

— методика контроля и выбора наиболее точной ИНС в полете;

— метод навигации по смещенной локсодромии в регионе Северной Атлантики с обоснованием возможности использования магнитной локсодромии.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и 12 приложений. Общий объем работы составляет 184 страниц текста, включая 39 рисунков и 16 таблиц.

Основные результаты исследования и выводы по работе могут быть сформулированы следующим образом:

1. Точность и надежность аэронавигации зависят от качества используемой информации и алгоритмов её обработки в навигационном эргатическом комплексе (НЭК). Возникающие в практике летной эксплуатации дальнемагистральных самолетов ситуации дефицита и искажения аэронавигационной и измерительной информации (ситуации с неполной информацией) снижают навигационную способность ВС выполнять установленные в данном районе требования к качеству аэронавигации.

2. В целях предупреждения ситуаций, связанных с неполнотой аэронавигационной информации, рекомендуется внедрение в практику аэронавигационного обслуживания экипажей современных информационных технологий подготовки бюллетеней предполетной информации и создание в авиакомпаниях России службы «Флайт-Диспатч».

3. Значительная часть нарушений правил полетов в регионе Северной Атлантики связана с ошибками навигатора при обработке им информации, полученной по каналам радиосвязи. Это является следствием высокой загруженности этих каналов и несовершенства навигационных процедур получения информации. Применение экипажами предложенного в процессе выполнения данной работы нового формата Главного Документа, соответствующего требованиям ИКАО, позволяет улучшить характеристики радиообмена и снизить вероятность операторских ошибок.

4. Пилотажно-навигационные комплексы современных ВС в целом обладают потенциальными аппаратными и алгоритмическими возможностями поддержания требуемой точности аэронавигации в ситуациях с неполной информацией. Вместе с тем, сравнительный анализ навигационных характеристик дальнемагистральных ВС различных типов показал серьезное отставание навигационных комплексов самолетов Ил-96 и Ту-204 от их зарубежных аналогов. Выявлены отдельные недостатки и в алгоритмах, предполагаемых к использованию в перспективных вычислительных системах самолетовождения (ВСС-95).

5. Существующая технология навигационной деятельности экипажа в характерных для дальнемагистральных самолетов ситуациях с неполной информацией недостаточно проработана и не обеспечивает использования всех информационных ресурсов для повышения точности и надежности аэронавигации. Более полное использование экипажем возможностей навигационных комплексов современных ВС и применение им специальных методов обработки информации при подготовке к полету и в полете позволяют предотвращать возникновение ситуаций с неполной информацией и уменьшать их отрицательные последствия.

6. Анализ экспериментальных данных о погрешностях счисления пути, собранных в процессе выполнения данной работы в производственных полетах на самолете Ил-96−300 и при послеполетном контроле инерциальных навигационных систем (ИНС), выявил снижение точности систем по мере их старения, отсутствие значимой зависимости погрешностей от региона полета, а также показал существенное несоответствие распределения погрешностей координат нормальному закону и возможность использования для аппроксимации экспериментальных данных закона распределения Лапласа.

7. Разработанная методика оценки показателей точности и надежности г. аэронавигации в режиме инерциального счисления пути, основанная на использовании полученных при выполнении работы аналитических соотношений, соответствующих распределению погрешностей по двумерному симметричному закону Лапласа., позволяет оценить возможности НЭК по выполнению требований к качеству аэронавигации, установливаемых в виде RNP RNAV. Установлено, что отдельная ИНС «Litton-90−100», эксплуатируемая на самолете Ил-96−300, обеспечивает требования RNP12.6, действующие в регионе Северной Атлантики, на протяжении 10, a RNP5 (B-RNAV) — 4 часов полета.

8. Обоснованная в работе методика оценивания «ухода» ИНС по результатам послеполетного контроля позволяет своевременно выявлять снижение точностных характеристик систем по мере их старения и использовать эти характеристики для повышения точности аэронавигации.

9. Разработаный и внедреный в практику летной работы метод оценки и выбора более точной ИНС в полете, основанный на независимом мажорировании по проекциям, обеспечивает повышение точности и надежности аэронавигации самолетов, оборудованных ВСС-85, и компенсирует недостатки используемых в этой системе алгоритмов.

— 15 310. Приведенные в отечественных и зарубежных нормативных документах рекомендации по действиям экипажа при отказе навигационного вычислителя ВСС (FMS) имеют существенные недостатки и не в полной мере реализуют возможности использования навигационной информации. Разработанный для полета по трекам метод смещенных локсодромий, отличается простотой применения и обеспечивает повышение точности и надежности навигации на 15 — 20% по сравнению с существующими методами.

И. Анализ свойств линии пути нового вида, названной магнитной локсодромией, показал, что в воздушном пространстве Северной Атлантики она аналогична обычной локсодромии в условной сферической системе координат и может быть использована для полета по трекам при некоторых видах отказов ВСС (FMS). При этом полет по магнитной локсодромии будет более точным, чем по истинной, для 95% треков, пролегающих южнее 65 ° северной широты.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Тема проведенного исследования обусловлена необходимостью решения конкретных проблем, которые возникают в навигационной практике дальнемагистральных самолетов ОАО «Аэрофлот», выполняющих полеты в регионах действия требуемых навигационных характеристик RNP. Необходимость обеспечения требуемой точности и надежности аэронавигации не только в расчетных условиях эксплуатации, но и при отказах навигационного оборудования, в случаях нарушения целостности аэронавигационной данных и в других ситуациях с неполной информацией, поставила задачу разработки таких методов навигационной деятельности экипажа в полете и такой технологии работы наземного персонала при организации и подготовке к кполету, которые позволили бы компенсировать конструктивные и алгоритмические недостатки навигационных комплексов отечественных ВС и обеспечить максимально достижимое качество аэронавигации в данной ситуации.

Разработанные в диссертации методы наиболее важны для дальнемагистральных ВС, не оборудованных СНС, но актуальность их применения не исчерпывается только такими самолетами. Эти методы могут использоваться при нарушении целостности спутниковой информации, в условиях воздействия естественных и искусственных помех работе СНС, а также на ВС государственной авиации при необходимости решении ими своих задач в условиях автономного полета.