Оптимизация навигационного обеспечения воздушных судов при свободной маршрутизации полетов Ерохин Вячеслав Владимирович

Введение к работе

Актуальность работы. Авиационная транспортная система является одной из важнейших компонент транспортной системы России и вносит существенный вклад в развитие экономики страны. Цели и задачи, которые стоят перед каждым потребителем воздушного пространства, необходимо решать на ограниченном временном интервале при минимальных затратах и обязательном обеспечении безопасности полетов. С развитием народного хозяйства Российской Федерации неуклонно повышается доля пассажирских и грузовых авиационных перевозок в зонах малой плотности наземных средств управления воздушным движением (УВД), а именно, над территорией Сибири, Севера и Российского Дальнего Востока.

Таким образом, существует актуальная народно-хозяйственная проблема повышения эффективности авиационных перевозок в воздушном пространстве отдаленных территорий Российской Федерации.

Современные требования к УВД заключаются в увеличении пропускной способности системы УВД и гибком использовании воздушного пространства с обеспечением высокого гарантированного уровня безопасности полетов.

Глобальный аэронавигационный план на 2013-2028 гг., разработанный международной организацией гражданской авиации (International Civil Aviation Organization - ICAO), предусматривает, в качестве одного из направлений повышения эффективности авиационной транспортной системы, внедрение концепции - связь, навигация, наблюдение и организация воздушного движения (Communications, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management - CNS/ATM), основанной на принципе радиовещательного автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В).

Основное содержание концепции заключается в оптимизации траектории полета при перемещении воздушного судна (ВС) в выделенной пространственно-временной области воздушного пространства и точного его вывода в заданный пункт маршрута в назначенное время при обязательных условиях высокоточного определения местоположения, параметров движения и сохранения требуемого уровня безопасности полетов. Составляющим элементом концепции является зональная навигация и свободная (гибкая) маршрутизация полетов.

Зональная навигация позволяет выполнять полет по оптимальной (согласно заданному критерию) траектории, выбираемой экипажем при взаимодействии его с другими ВС и объектами системы УВД. Реализация данной концепции возможна только при высоком качестве позиционирования ВС.

В соответствии со стратегией развития организации воздушного движения среди приоритетных направлений 1С АО важное место занимает разработка новых принципов УВД и организации воздушного пространства. Эти принципы должны обеспечить высокую пропускную способность сети маршрутов при возможности выполнения полетов по наиболее эффективным траекториям с гарантированным уровнем безопасности, как того требуют современные авиационные стандарты.

Навигационное обеспечение воздушных транспортных перевозок следует рассматривать как сложную систему, включающую комплекс мероприятий, осуществляемых на этапах организации, подготовки и выполнения полетов, и направленных на создание условий безопасной, точной и экономичной аэронавигации.

Навигационное обеспечение является определяющим основным источником измерительной информации при формировании сигналов управления для создания пространственно-временной траектории движения ВС с числом степеней свободы, ограниченным выбором критерия оптимальности. Содержательной частью навигационного обеспечения как сложной системы является теоретическая разработка и практическая реализация методов обработки навигационной информации, а также синтез алгоритмов оптимизации траекторий движения с целью достижения высокой точности позиционирования воздушных судов и обеспечения безопасности полетов в условиях свободной маршрутизации полетов.

Следовательно, существует актуальная научная проблема повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов в интересах реализации концепции свободной

маршрутизации полетов посредством разработки научно обоснованных методов оптимизации на основе комплексной обработки информации.

Таким образом, актуальность рассмотренных народно-хозяйственной и научной проблем и вытекающей из них научной задачи повышения эффективности навигационного обеспечения перевозок путем оптимизации траекторий воздушных судов в пространстве состояний, не вызывает сомнения.

Разрешение сформулированной задачи позволит повысить эффективность транспортных перевозок в интересах народного хозяйства, научных исследований и совершенствования обороноспособности страны.

Решение задачи оптимизация траекторий динамических управляемых объектов основывается на методах теории управления системами, изложенной, в основном, в трудах Воронова А.А., Красовского Н.Н., Пятко С.Г., Лазарева Ю.Н., Стратонович Р.Л, Понтрягина Л.С., Тятюшкина А.И., Сейджа Э.П.. Уайта Ч.С.. Беллмана Р.Э, Калмана Р.Э.

Исследованиями таких ученых, как Бабич О.А., Красовский А.А.. Миронов М.А., Перов А.И., Шебшаевич B.C., Красильщиков М.Н. и ряда других показана целесообразность создания и применения интегрированных систем навигации (ИСН).

Системы управления воздушным движением, как и их структурные составляющие, например, интегрированные бортовые системы навигации, представляет собой, в общем случае нелинейные, стохастические динамические системы переменной структуры. Они также обладают всеми признаками сложных систем, к которым применимы методы системного анализа. Вопросы системного анализа сложных динамических систем подробно рассмотрены в работах Блауберга И.В., Садовского В.Н., Месаровича М.Д., Денисова А.А., Колесникова Д.Н., Мухопа-да Ю.Ф. и др.

Ключевые вопросы теоретико-методологических особенностей, структурного синтеза и комплексной обработки информации при навигационном обеспечения объектов с детерминированными траекториями, исследованы и систематизированы в работах Аникина А.Л., Болдина В.А.. Рубцова В.Д., Марюхненко B.C., Скрыпника О.Н.. Дмитриева СП., Степанова О.А.

Методы решения многокритериальных задач рассмотрены в работах Карлина С, Штойе-ра Р., Гермейера Ю.Б., Михалевич B.C., Волкович В.Л. и развиты в работах Лазарева Ю.Н., Ге-раськина М.И.. Воронова Е.М., Репкина А.Л., Савчук A.M., Сычева СИ., применительно к задачам формирования структуры траєкторного управления аэрокосмическими летательными аппаратами в детерминированной постановке.

Подход к анализу и синтезу таких систем имеет особенности, обусловленные спецификой комплексной обработки навигационной информации при воздействии шумов и помех. Вопросы разработки алгоритмов траєкторного управления на основе комплексной обработки навигационной информации рассмотрены в работах Кузнецова СВ., Воробьева В.В., Кузнецова В.Л.. Многие вопросы оптимизации структуры навигационных комплексов и траекторий динамических управляемых объектов разработаны учеными ведущих научных школ Российской Федерации под руководством Тихонова В.И.. Ярлыкова М.С, Харисова В.Н., Меркулова В.И.

Целью диссертационного исследования является решение актуальной научной проблемы повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов в интересах реализации концепции свободной маршрутизации полетов посредством разработки научно обоснованных методов оптимизации на основе комплексной обработки информации.

Область исследования - навигационное обеспечение воздушных судов в интересах реализации концепции свободной маршрутизации полетов при управлении воздушным движением.

Предмет исследования - методы, методики и алгоритмы оптимизации навигационного обеспечения воздушных судов и энергетических характеристик сигналов в каналах обмена данными автоматического зависимого наблюдения.

Задачи исследований:

1. Оптимизация навигационного обеспечения автоматического зависимого наблюдения при реализации концепции зональной навигации, что необходимо для повышения ситуационной осведомленности диспетчера и экипажей о параметрах траєкторного движения, взаимодей-

ствующих ВС.

1. Разработка и обоснование метода управления мощностью псевдоспутника (ПС) при заходе на посадку ВС на основе измерения дальности в системе автоматического зависимого наблюдения, в результате чего создаются условия подавления эффекта «ближний-дальний» при этом мощность принимаемого сигнала от ПС будет соизмерима с уровнем сигналов, принимаемых от навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS.

2. Разработка алгоритмов многокритериальной оптимизации навигационного обеспечения при реализации концепции зональной навигации, а именно:

алгоритма бикритериальной оптимизации траектории ВС в интегрированной системе навигации на основе инерциальных и спутниковых технологий;

алгоритма многокритериальной оптимизация траектории ВС в зоне функционального дополнения глобальной навигационной спутниковой системы;

алгоритма бикритериальной оптимизации мощности сигнала транспондера системы автоматического зависимого наблюдения, обеспечивающего требуемые энергетические характеристики в каналах обмена данными.

4. Исследование точностных характеристик синтезированных алгоритмов при решении задач самолетовождения и посадки методами организации и проведения натурных, полунатурных и численных экспериментов, что необходимо для практической реализации в специализированных навигационных вычислителях.

5. Формирование рекомендаций по практическому применению синтезированных алгоритмов и построению траектории ВС с целью получения компромиссного решения в задаче векторной оптимизации.

Методы исследовании включают применение теории системного анализа, теории вероятностей и случайных процессов, методов теории игр, теории оптимальной фильтрации, теории управления, методов многокритериальной (векторной) оптимизации, современных методов имитационного и полунатурного моделирования.

В ходе исследований использовались рекомендации документов ICAO и Межгосударственного Авиационного Комитета, нормативные документы Министерства транспорта Российской Федерации и Росавиации.

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что в ней впервые:

1. Предложена методология оптимизации траекторий воздушных судов при решении задач свободной маршрутизации полетов на основе методов теории игр, что даёт возможность минимизировать отклонение от линии заданного пути и погрешности определения навигационных параметров.

2. Развиты приложения теории многокритериальной (векторной) оптимизации применительно к навигационному обеспечению ВС при автоматическом зависимом наблюдении, благодаря чему уменьшается дальность и время полета по сравнению с классическим маршрутным полетом при высокой точности определения параметров траєкторного движения.

3. Разработана новая методология многокритериальной оптимизации траектории при реализации концепции зональной навигации на основе методов теории игр, которая позволяет находить компромиссное решение для векторного критерия.

4. Разработаны методы оптимизации траектории ВС по интегральному и локальному критериям на основе комплексной обработки навигационной информации, применение которых обеспечивает полет ВС по траектории, позволяющей получить минимально возможные ошибки определения местоположения в любой момент времени.

5. Разработан метод бикритериальной оптимизации выходной мощности передатчика транспондера системы автоматического зависимого наблюдения на основе оценки времени задержки сигнала, что позволяет обеспечить требуемые энергетические характеристики между сигналами в каналах обмена данными.

6. Предложен метод оптимального управления мощностью сигнала ПС на основе автоматического зависимого наблюдения, реализация которого позволит устранить проявление эф-

фекта «ближний-дальний» и обеспечить одновременный прием сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS и псевдоспутника.

7. Предложена методика оценки влияния траектории полета на точность определения местоположения ВС и обосновано применение максимума меры наблюдаемости в качестве решающего правила при оптимизации траекторий ВС, что является более рациональным с точки зрения практической ре&тизации синтезированных алгоритмов в навигационном процессоре.

8. Разработаны алгоритмы локально-оптимального управления траекториями ВС при реализации концепции свободной маршрутизации, позволяющие с высокой точность выдерживать заданный маршрут полета.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

1. Сформулированы рекомендации по построению пространственных программных траекторий с учетом геометрического фактора, внедрение которых позволит выполнять навигационные определения с высокой точностью на всем маршруте полета.

2. Выполнена оптимизация алгоритмов комплексной обработки информации, что обеспечивает возможность их реализации в реальном масштабе времени на уровне специализированного программного обеспечения бортовых вычислительных систем, повышает помехоустойчивость интегрированной системы навигации и точность определения параметров траєкторного движения, при этом исключается необходимость внесения конструктивных изменений в аппаратную часть навигационных измерителей.

3. Разработаны рекомендации по формированию траектории ВС, благодаря чему одновременно минимизируется отклонение от линии заданного пути и погрешность определения навигационных параметров, что позволит повысить эффективность использования воздушного пространства при высокой точности навигационных определений.

4. Предложен метод оптимального управления выходной мощностью передатчика псевдоспутника на основе автоматического зависимого наблюдения, позволяющий устранить проявление эффекта «ближний-дальний» и обеспечить одновременный прием сигналов навигационных спутников ГЛОНАСС/GPS и ПС.

На защиту выносятся следующие основные научные положения:

5. Методология многокритериальной оптимизации траектории ВС при реализации концепции свободной маршрутизации полетов.

6. Методология бикритериальной оптимизации мощности в транспондере системы АЗН-В на основе оценки времени задержки сигнала в каналах обмена данными.

7. Метод оптимизации траектории ВС для повышения точности определения навигаци-онно-временных параметров.

8. Метод многокритериальной оптимизации траектории ВС в зоне функционального дополнения глобальной навигационной спутниковой системы.

9. Метод оптимального управления мощностью псевдоспутника на основе радиовещательного автоматического зависимого наблюдения.

10. Метод локально-оптимального управления траекторий ВС при автоматическом зависимом наблюдении.

11. Методика оценки влияния траектории полета на точность определения навигационных параметров.

8. Методика экспериментальных исследований эффекта «ближний-дальний» в
ГЛОНАСС/GPS приемниках спутниковой навигации на основе методов полунатурного модели
рования.

9. Алгоритмы управления траекториями ВС оптимальные по интегральному и локально
му критериям на основе максимума меры наблюдаемости.

Достоверность и обоснованность результатов диссертационной работы подтверждаются:

1. Аргументированной постановкой задач и корректным использованием математического аппарата статистического анализа и синтеза сложных динамических систем, в том числе векторно-матричных исчислений, что позволило синтезировать алгоритмы, практически реа-

лизуемые на базе современных специализированных навигационных вычислителей.

2. Адекватностью математических моделей траєкторного движения ВС и навигационных измерителей реальным физическим процессам, подтвержденной данными сравнительного анализа результатов численных и полунатурных экспериментов, благодаря чему они могут быть использованы при организации и проведении научных исследований характеристик интегрированной системы навигации на основе инерциальных и спутниковых технологий.

3. Корректным использованием Марковской теории оценивания случайных процессов применительно к синтезу алгоритмов комплексной обработки навигационной информации.

4. Совпадением частных результатов исследований характеристик интегрированной системы навигации на основе инерциальных и спутниковых технологий с результатами параметрических исследований спутниковых систем навигации и УВД известными ранее.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные результаты и положения диссертационной работы внедрены в авиакомпании «ИрАэро». в филиале «Аэронавигация Восточной Сибири» ФГУП «Госкорпорация по ОрВД», что подтверждено соответствующими актами о реализации.

Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались и обсуждались на:

1. Международной конференции ИДСТУ СО РАН, Секции «Математика, информатика и управление (МИУ - 2000)». г. Иркутск, 2000 г. 2. XII Байкальской международной конференции, г. Иркутск, 2001 г. 3. Международной научно-практической конференции САКС-2002, Си-6ГАУ, г. Красноярск. 2002 г. 4. Международной научно-практической конференции «Перспективы развития науки и образования», Тамбов. 2015г. 5. Международной научно-техническая конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». МГТУ ГА, Москва, 2016 г. 6. VII Международной молодежной научной конференции «Гражданская авиация: XXI век. Ульяновск: УВАУ ГА (И), 2015. 7. Международной научно-практической конференции «Авиация: современность, перспективы развития и история» учреждения образования «Белорусская государственная академия авиации». Минск, 2016, 2017 гг. 8. Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы радиоэлектроники", КГТУ, г. Красноярск, 2001 г. 9. Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы радиоэлектроники", СФУ. г. Красноярск, 2015, 2016 гг. 10. Всероссийской научно-технической конференции с международным участием "Современные проблемы радиоэлектроники*', КГТУ, г. Красноярск, 1998 г. 11. Всероссийской НПК «Академические Жуковские чтения. Современное состояние и перспективы развития авиационного радиоэлектронного оборудования». Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2013 г. 12. Всероссийской НПК «Академические Жуковские чтения. Современное состояние и перспективы развития авиационного радиоэлектронного оборудования». Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2015 г. 13. Всероссийская НПК «Актуальные вопросы состояния, эксплуатации и развития комплексов бортового РЭО воздушных судов. Проблемы подготовки специалистов» «АВИОНИКА» Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2016 г. 14. Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов "Решетневские чтения", КГУ. г. Красноярск. 1999 г. 15. XV Всероссийской НТК, ИВВАИУ(ВИ). Секции «Радиоэлектронные комплексы и системы» г. Иркутск, 2007г. 16. VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Секции «Современные проблемы радиоэлектроники и связи», ИрГТУ, г. Иркутск, 2010 г. 17. Научных чтениях по авиации посвященные памяти Н.Е. Жуковского, ВАТУ, г. Москва, 2000г. 18. X научно-технической конференции Иркутского высшего военного авиационного инженерного училища, г. Иркутск, 1997 г. 19. I НПК преподавателей, научных работников и аспирантов, ИФ МГТУ ГА, Секции «Авиационное радиоэлектронное оборудование» г. Иркутск, 2009г. 20. Ежегодных научно-технических семинарах ВВИА имени профессора Н.Е. Жуковского в 1998-2002 г., Иркутского высшего военного авиационного инженерного училища в 1998 - 2008 гг., кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2009 - 2017 гг. и кафедры «Автоматика и телемеханика» ИрГУПС в 2016-2017 гг.

Публикации результатов. Основные результаты исследований опубликованы в одной монографии, 63 (372 стр.) печатных работах, в том числе: 17 (141 стр.) - научные статьи в журналах, входящих в «Перечень ВАК ...», из них без соавторов - 5 (47 стр.) статей; одна статья (9 стр.) в журнале из списка SCOPUS, 3 (3 стр.) - свидетельства на программные продукты; 5 (21 стр.) - статьи в журналах из списка РИНЦ, 12 (91 стр.) - статьи в региональных и ведомственных научных журналах; 25 (107 стр.) - публикации в сборниках научных трудов и в материалах научно-технических конференций; 2 (515 стр.) - учебных пособия с грифом УМО.

Теоретические положения, развитые в диссертации, использованы в кандидатской диссертации, выполненной под руководством автора.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты научных исследований, выполненных самим автором или под его непосредственным руководством. Личный вклад соискателя состоит в: постановке задач исследований, разработке методологий и методов их решения: непосредственном участии соискателя в выполнении основного объема теоретических и экспериментальных исследований, в системном анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов, в апробации результатов исследования, подготовке основных публикаций по выполненной работе.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения. приложения на 3 листах (свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ). Список литературы включает 247 наименований работ отечественных и зарубежных авторов. Общий объем работы составляет 287 страниц текста, содержит 66 рисунков и 5 таблиц.