Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Навигация и управление воздушным движением

Диссертационная работа:

Вычужанин Владислав Борисович. Повышение эффективности систем УВД с автоматическим зависимым наблюдением путем совершенствования методов и средств передачи и отображения навигационной информации : диссертация ... кандидата технических наук : 05.22.13 / Вычужанин Владислав Борисович; [Место защиты: Моск. гос. техн. ун-т гражд. авиации].- Москва, 2008.- 138 с.: ил. РГБ ОД, 61 09-5/1148

смотреть содержание
смотреть введение
Содержание к работе:

Стр.
Введение 4

1. Анализ эффективности использования авиационных систем

связи при УВД 12

1.1. Критерии эффективности использования авиационных

систем связи 12

1.2. Анализ эксплуатационных возможностей традиционных

средств связи при УВД 16

1.3. Анализ эксплуатационных возможностей спутниковых

систем связи при УВД 27

1.4. Ограничения, накладываемые на допустимую задержку
передачи навигационных данных при УВД с автоматическим

зависимым наблюдением 37

1.5. Основные результаты и выводы 49

2. Пути повышения эффективности использования
авиационных систем связи при УВД с автоматическим зависимым
наблюдением 50

  1. Минимизация необходимого числа рабочих каналов передачи сообщений с различными приоритетами с использованием спутниковых систем связи 50

  2. Методы повышения достоверности передачи данных по спутниковым каналам связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 55

  3. Оценка эффективности использования помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи данных по MB и ДКМВ каналам связи систем УВД с автоматическим

зависимым наблюдением 62

  1. Уменьшение ошибок местоопределения ВС при УВД с автоматическим зависимым наблюдением путем совершенствования системы синхронизации канала передачи навигационных данных и совместной обработки связного и навигационного сигналов 73

  2. Основные результаты и выводы 85

3. Методы повышения точности отображения воздушной обстановки
и повышения эффективности принятия решений по устранению
конфликтных ситуаций при УВД с автоматическим зависимым

наблюдением 88

3.1. Оценка точности отображения воздушной обстановки

традиционными средствами при УВД в отсутствие Стр.

радиолокационного контроля 88

3.2. Математические модели систем контроля воздушной обстановки

при УВД в отсутствие радиолокационного контроля 100

3.3. Способы повышения точности отображения воздушной

обстановки при УВД с автоматическим зависимым наблюдением 109

3.4. Повышение эффективности принятия решений по устранению
конфликтных ситуаций при УВД с автоматическим

зависимым наблюдением 121

3.5. Основные результаты и выводы 125

Заключение 127

Список использованных источников 130

Введение к работе:

Актуальность проблемы. Основными и важнейшими задачами системы управления воздушным движением (УВД) являются задачи обеспечения безопасности, экономичности и регулярности воздушного движения [1 - 3]. Их решение обеспечивается на этапах организации, планирования и непосредственного УВД [1], в котором принимает участие такое звено контура УВД как человек. Эффективность непосредственного УВД в значительной степени определяется эффективностью принятия решения (ПР) диспетчером УВД [3 - 7]. Принятие решения диспетчером УВД обеспечивается с помощью средств радиолокационного (РЛК) и процедурного контроля (ПК) воздушного движения (ВД) [8].

Недостатками РЛК являются его высокая стоимость, невозможность 100%-го перекрытия воздушного пространства, а иногда и отсутствие экономической целесообразности такого перекрытия, относительно невысокая надежность средств РЛК: возможность их полного или частичного отказа и возможность появления ложных меток воздушных судов (ВС) [4, 8 - 13]. Это делает невозможным обеспечить абсолютную надежность РЛК и обуславливает необходимость перехода на перспективную технологию УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН), при которой навигационная и другая необходимая для осуществления УВД информация по каналам связи передается в центр УВД.

Следует добавить, что система УВД России функционирует в условиях, которые существенно отличаются от условий функционирования УВД в Европе и США. Этими особенностями являются огромная территория нашей страны, высокая стоимость обслуживания средств радиолокации, навигации и связи в удаленных регионах, а также низкая интенсивность ВД в ряде регионов. Поэтому, если в развитых странах мира с высокой плотностью ВД воздушное пространство перекрыто радиолокационным контролем до трех крат и более, то в России обеспечить многократное перекрытие воздушного пространства радиолокационным контролем невозможно по экономическим соображениям [8]. Сеть воздушных трасс (ВТ) России перекрыта полем первичных РЛС на 94 и 90% на высотах 6000 и 10000 м и только на 28% - полем вторичных радиолокаторов (ВРЛ). В регионах Сибири и Дальнего Востока, а также в районах прохождения транссибирских маршрутов международных ВТ имеются значительные (до 800 км) участки, не охваченные радиолокационным контролем [8]. При этом многие радиолокаторы России выработали свой ресурс. Все это делает радиолокационный контроль в воздушном пространстве России менее надежным, чем в развитых странах мира и обуславливает необходимость использования систем УВД с АЗН.

Вместе с тем, в соответствии с прогнозом ИКАО развития воздушного транспорта до 2010 г. объем мировых перевозок, измеряемый в пассажиро-

километрах, будет возрастать в среднем ежегодно на 4,5%. [14].

В соответствии с данными Главного Центра (ГЦ) планирования и регулирования потоков ВД в 20 секторах районных центров (РЦ) России ожидается появление критических, а в 400 секторах - предкритических ситуаций [15]. При этом под критической понимается ситуация, когда загруженность секторов превышает «предельно допустимое количество ВС в час», а под предкритической - «допустимое количество ВС в час».

В некоторых секторах РЦ России в часы пик наблюдается до 15 - 20 ВС на связи одновременно. Однако диспетчерский график, который используется почти во всех РЦ России, не обеспечивает безопасность ВД при загруженности диспетчера более чем 4-8 ВС [16]. Все это свидетельствует об острой необходимости разработки систем УВД с АЗН, технические предпосылки к широкому внедрению которых в гражданскую авиацию (ГА) созрели в связи с появлением высокоточных средств навигации ВС - спутниковых радионавигационных систем (СРНС) типа ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США).

При этом отечественная СРНС ГЛОНАСС при работе по открытому коду пониженной точности (ПТ) при полностью развернутой орбитальной группировке из 24-х КА обеспечивает глобальную навигацию ВС с максимальной погрешностью (с доверительной вероятностью 0,95, что соответствует двум значениям среднеквадратической ошибки (СКО)) определения координат, в плане (горизонтальной плоскости): 60 м в годы максимальной солнечной активности и 30 м - в годы минимальной солнечной активности, и по высоте: 100 м и 50 м, соответственно. Погрешности навигационных определений в СРНС GPS примерно в 1,5 раза выше, чем в СРНС GPS [18].

Функциональные возможности СРНС, в том числе и применительно к решению задач УВД с АЗН, существенно возрастут в связи с планируемым в 2007 году открытием для гражданских пользователей кода высокой точности (ВТ) СРНС ГЛОНАСС, обуславливающего более высокие по сравнению с кодом ПТ точности местоопределения ВС.

Следует отметить, что, если вопросы построения навигационного сегмента системы УВД с АЗН достаточно подробно освещены в литературе [17 - 22], то вопросы построения связного сегмента, имеющего важное значение, в особенности для систем УВД с АЗН, менее проработаны и поэтому требуют проведения дополнительных исследований. Воздушная авиационная связь, предназначенная для взаимодействия экипажей и диспетчерского состава УВД, замыкает контур УВД по линии «диспетчер - ВС». Ее ухудшение приводит к увеличению загрузки диспетчера, что может приводить к снижению безопасности полетов. Наземная авиационная связь предназначена для обеспечения взаимодействия диспетчерских

пунктов службы движения и управления производственной и технологической деятельностью других служб ГА.

В настоящее время на этапе проектирования системы связи рассчитываются на худшие условия использования: максимальную интенсивность воздушного движения (ИВД) и продолжительность обслуживания, превышающую среднее значение, что гарантированно обеспечивает требования по безопасности полетов ВС. Однако в реальных условиях эксплуатации наихудшие условия бывают кратковременными. Имеющуюся функциональную избыточность можно рассматривать как резерв для повышения эффективности систем связи.

Особо остро эта проблема стоит для дорогостоящих спутниковых систем связи (ССС), представляющих особый интерес для систем УВД с АЗН в силу возможности обеспечения с их помощью большой рабочей зоны. Дело в том, что существующие каналы радиосвязи метрового (MB) и декаметрового (ДКМВ) диапазонов являются индивидуальными для определенных абонентов и повышение эффективности их использования касается, в первую очередь, этих абонентов. Другая картина наблюдается в ССС. Являясь коллективными средствами связи, при освобождающихся ресурсах они могут быть использованы для других целей. При этом ССС обладают важным свойством - возможностью перераспределения связных ресурсов в зависимости от потребности в них, определяемой на основании прогноза информационного обмена с учетом динамики изменения ИВД; наличия традиционных средств связи и других эксплуатационных факторов [23, 24].

Таким образом, с появлением ССС проблему повышения использования связных ресурсов при обеспечении полетов ВС необходимо рассматривать для отдельной зоны воздушного пространства или целого региона.

Основной сферой применения спутниковых систем в ГА является обеспечение международных полетов ВС, полетов в полярных районах на местных воздушных линиях (МВЛ) и использование их при проведении специальных работ с применением авиации [25]. По крайней мере, на начальном этапе внедрения ССС в ГА они будут примеряться совместно с традиционными средствами связи.

Эффективность комплексного использования традиционных и перспективных средств связи определяется рациональным разделением между ними функций в зависимости от эксплуатационных факторов, характерных для конкретных зон воздушного пространства. Так как основными функциями средств связи являются обеспечение связи и наблюдения за ВС, эффективность их функционирования удобно оценивать точностью выдерживания ВС заданной траектории полета.

При передаче сообщений по каналам авиационной связи установлены допустимые задержки передачи для разных категорий сообщений. В частности, для аварийных сообщений и сообщений по тактическому УВД - 1 с, для сообщений

по стратегическому УВД - 5 с, для сообщений по регулярности полетов - 10 с, для метеосообщений несрочного характера - 30 с. Допустимые задержки передачи связаны с необходимой точностью выдерживания траекторий полета, в основном, при передаче управляющих сообщений, обеспечивающих своевременное предотвращение выхода ВС за пределы трассы.

Функции наблюдения за ВС по точности выдерживания траекторий полета для традиционных систем связи связаны с передачей речевых сообщений, а для спутниковых систем, в первую очередь, с внедрением режима АЗН.

К системам связи, используемым при УВД с АЗН, наряду с требованием по минимизации задержки в передаче сообщений типа навигационных данных, передаваемых с борта ВС в центр УВД, связанным с тем, что их «старение» приводит к искажению наблюдаемой диспетчером воздушной обстановки (ВО), предъявля-ется повышенное требование по достоверности передаваемых данных. Последнее требование обусловлено тем, что их искажение может служить предпосылкой к летному происшествию и, следовательно, к снижению безопасности полетов. При этом требования по минимизации задержки в передаче сообщений и повышения их достоверности, в известной степени, противоречивы, поскольку, например, использование для повышения достоверности передаваемых сообщений систем с «переспросом» приводит к увеличению задержки в передаче сообщений.

Возможности АЗН в части разрешения потенциально конфликтных ситуаций (ПКС) при УВД расширяются при переходе от вещательного АЗН (АЗН-В) к адресному (АЗН-А), при котором по запросу диспетчера в центр УВД может передаваться дополнительная информация от экипажей конфликтующих ВС. В этой связи представляет интерес рассмотрение вопросов, касающихся содержательной стороны передаваемых сообщений. Тем более что внедрение в авиационную практику спутниковых средств навигации позволяет расширить вектор наблюдения путем включения в него помимо координат ВС в трехмерном пространстве составляющих его скорости по этим координатам. Кроме того, аппаратура потребителей (АЛ) GPHC может служить датчиком точного времени [26].

Важное значение при УВД с АЗН имеют вопросы совершенствования способов отображения данных о воздушной обстановке (ВО) у диспетчера УВД, переданных по каналам связи с ВС, находящихся в зоне УВД.

Следует отметить, что проблемы достоверного отображения информации о ВО при УВД с АЗН в значительной степени перекликаются с общими проблемами процедурного контроля (ПК) при УВД. Используемые при ПК способы отображения ВО ориентированы, в основном, на традиционную технологию УВД и ручные методы ввода информации [27]. В настоящее время созрели технические предпосылки для разработки средств отображения информации о ВО при УВД на

основе современной компьютерной техники и современного программного обеспечения. В то же время такая разработка невозможна без разработки методологической базы их создания, учитывающей возможности, открывающиеся в связи с внедрением в авиационную практику спутниковых технологий, в частности высокоточных средств спутниковой навигации, предоставляющих экипажу ВС расширенный вектор определяемых навигационных параметров, и средств спутниковой связи, позволяющих получать необходимую для УВД информацию от смежных зон УВД. Кроме того, необходим учет имеющей место тенденции к интегрированию средств связи, навигации и наблюдения при УВД в рамках концепции Международной организации гражданской авиации (ИКАО) CNS/ATM [28].

Из теоретических работ, посвященных вопросам совершенствования средств отображения информации-при УВД на основе современных информационных технологий следует отметить работы [29 - 31]. Недостаточная теоретическая проработка вопросов адекватного отображения информации, предоставляемой диспетчеру УВД, может сказаться на эффективности его деятельности и эффективности УВД в целом с точки зрения обеспечения требуемого уровня безопасности полетов [31, 33].

В настоящее время разработчиками систем УВД России делаются попытки разработать средства отображения информации при УВД, базирующиеся на использовании компьютерной техники. Так, в Волгоградском РЦ Единой системы организации ВД (ЕС ОрВД) установлено устройство комплексного преобразования и отображения информации «Строка - Ц», разработанное ОАО «РИМАР» (г. С.-Петербург). Что касается зарубежного опыта, то известная форма «Томпсон» для решения задач ПК разработала электронные стрипы, представляющие собой изображения обычных бумажных стриповна экране. Однако они не позволяют осуществлять УВД при отказе радиолокатора, то есть, по сути, не выполняют свою основную функцию. Аналогичным образом, поскольку в системе отображе-> ния «Строка - Ц» информация о воздушной обстановке в зоне УВД представлена \ в виде электронного диспетчерского графика, эта система обладает всеми его недостатками: низкой точностью отображения ВО, сложностью ввода и считывание информации и др.

\ Рассмотрению перечисленного круга вопросов и поиску путей повышения

эффективности систем УВД, и в первую очередь, систем УВД с АЗН, за счет совершенствования методов и средств передачи и отображения информации, поступающей диспетчеру, и посвящается настоящая диссертация, что обуславливает актуальность ее темы.

Цель и задачи исследований. Целью работы является разработка методов повышения эффективности систем УВД с автоматическим зависимым наблюде-

нием путем совершенствования методов и средств передачи и отображения навигационной информации, передаваемой в центр УВД.

Для достижения поставленной цели необходимо было решение следующих задач:

  1. Анализ эксплуатационных возможностей традиционных и спутниковых средств связи при УВД.

  2. Разработка методов повышения достоверности и оперативности передачи навигационных данных по MB, ДКМВ и спутниковым каналам связи при УВД с автоматическим зависимым наблюдением (АЗН).

  3. Анализ точности отображения воздушной обстановки традиционными средствами при УВД в отсутствие радиолокационного контроля.

  4. Разработка методов повышения точности отображения воздушной обстановки и эффективности принятия решений по устранению конфликтных ситуаций при УВД с АЗН.

Методы исследований. При решении перечисленных задач в работе были использованы прикладные методы теории вероятностей, теории случайных процессов, теории оптимальной нелинейной фильтрации и методы математического моделирования.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые проведен системный анализ путей повышения эффективности систем УВД с АЗН путем совершенствования методов и средств передачи и отображения навигационной информации.

В работе получены следующие основные научные результаты:

  1. Проведен анализ факторов, влияющих на задержку навигационных данных, передаваемых при УВД по традиционным каналам связи MB и ДКМВ диапазонов или спутниковым каналам, и дана оценка влияния этой задержки на точность отображения информации о воздушной обстановке при УВД с АЗН.

  2. Получены оценки эффективности оптимизации алгоритмов обработки использования методов помехоустойчивого кодирования для повышения достоверности передачи навигационных данных при УВД с АЗН по традиционным и спутниковым каналам связи с учетом вероятностных характеристик помех в указанных каналах и выработаны рекомендации по минимизации числа рабочих каналов при передаче сообщений различной приоритетности с использованием спутниковых систем связи (ССС).

  3. Предложены способы уменьшения дополнительной погрешности место-определения ВС при УВД с АЗН, связанной с задержкой передачи навигационных данных в центр УВД, основанные на оптимизации по быстродействию системы

синхронизации канала передачи данных и ее навигационной поддержке от аппаратуры потребителей (АП) навигационной системы.

4. Разработаны математические модели системы отображения воздушной обстановки при УВД в отсутствие радиолокационного контроля, учитывающие нелинейность закона движения ВС и случайные воздействия на него, и предложены способы повышения точности отображения воздушной обстановки и эффективности принятия решений по разрешению потенциально конфликтных ситуаций при УВД с АЗН с использованием высокоточного определения координат ВС и составляющих его скорости по спутниковым радионавигационным системам (СРНС) типа ГЛОНАСС и GPS.

На защиту выносятся:

  1. Результаты теоретического анализа основных факторов, влияющих на достоверность и оперативность передачи навигационных данных по традицион-ным и спутниковым каналам связи и отображению воздушной обстановки при УВД с АЗН.

  2. Результаты математического моделирования влияния помеховых воздействий различного вида на эффективность оптимизации обработки и использования помехоустойчивого кодирования в каналах передачи навигационных данных при УВД с АЗН.

  3. Способы повышения достоверности и оперативности передачи навигационных данных, точности отображения воздушной обстановки и эффективности принятия решений по разрешению конфликтных ситуаций при УВД с АЗН.

Практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

повысить достоверность передачи навигационных данных по традиционным каналам связи MB и ДКМВ диапазонов и спутниковым каналам при УВД с АЗН путем оптимизации обработки сигнала с учетом вероятностных характеристик помех в каналах связи и использования методов помехоустойчивого кодирования информации;

уменьшить дополнительную погрешность местоопределения ВС при УВД с АЗН, обусловленную задержкой передачи навигационных данных в центр УВД, путем совместной обработки сигналов в связном и навигационном каналах и оптимизации по быстродействию системы синхронизации связного канала;

повысить точность отображения воздушной обстановки и принятия решений по разрешению потенциально конфликтных ситуаций при УВД с АЗН путем использования данных высокоточных навигационных определений ВС по СРНС;

- повысить безопасность полетов ВС за счет повышения достоверности и оперативности передачи навигационных данных, точности отображения воздушной обстановки при УВД с АЗН.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертации внедрены в Московском конструкторском бюро «Компас» и в Московском государственном техническом университете гражданской авиации, что подтверждено соответствующими актами.

Апробация результатов. Материалы диссертации докладывались на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 35-летию МГТУ ГА (Москва, МГТУ ГА, 2006 г., 3 доклада) и на Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85 - летию гражданской авиации России Москва, МГТУ ГА, 2008 г.).

Публикации результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 10-ти статьях и 4-х тезисах докладов.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников.

Диссертация содержит 138 страниц текста, 53 рисунка, 11 таблиц и библиографию из 126 наименований.

*

Подобные работы
Власов Андрей Юрьевич
Повышение эффективности использования радиолокационных средств в системах УВД
Москвин Геннадий Иванович
Повышение эффективности навигационного использования береговых систем управления движением судов
Изгутдинов Марат Сафаргалеевич
Повышение эффективности навигационного обеспечения воздушных судов с использованием комплекса спутниковых и инерциальных навигационных систем
Щуров Дмитрий Олегович
Анализ и оценка эффективности функционирования системы непосредственного УВД службы движения гражданской авиации
Карюкин Геннадий Ефимович
Расширение функциональных возможностей спутниковых радионавигационных систем путем совершенствования методов навигационных определений и обработки информации
Дао Ти Тхань
Повышение эффективности функционирования АС УВД на основе совершенствования радиолокационного обеспечения путем внедрения методов радиополяриметрии
Некрасов Яков Анатольевич
Методы повышения точности съема информации в микромеханических гироскопах
Шаров Валерий Дмитриевич
Разработка методов повышения точности и надежности навигации дальнемагистральных самолетов в ситуациях с неполной информацией
Платонов Иван Даниилович
Повышение эффективности телекоммуникационного обеспечения полетов в условиях априорной неопределенности электромагнитной обстановки для решения задач управления воздушным движением
Нартов Владимир Николаевич
Совершенствование управления движением воздушных судов и внедрение полетного диспетчерского обслуживания в целях повышения безопасности полетов и эффективности летной эксплуатации

© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net