Вероятностная оценка уровня безопасности полетов в зонах ответственности центров управления воздушным движением

Актуальность работы. В настоящее время контролю за уровнем безопасности полетов придается исключительное значение. Это вызвано ростом объемов воздушных перевозок и тяжестью последствия воздушных катастроф. Поэтому, согласно поправке N 40 к Приложению 11 [23], в каждом государстве должен быть установлен приемлемый уровень безопасности полетов, за обеспечение которого данное государство несет ответственность. С целью повышения эффективности функционирования системы управления воздушным движением (УВД), требуется оптимизировать существующие функции контроля за соблюдаемым уровнем безопасности полетов. Для этого, используя современные методы обработки информации, нужно иметь возможность оперативно контролировать текущий уровнь безопасности полетов.

На сегодняшний день для оценки уровня безопасности полетов используются реальные события [21, 26]: столкновения воздушных судов (ВС), столкновения ВС с другими объектами, катастрофы при взлете и посадке. По данным расследования катастрофы выявляются причины происшедшего и принимаются решения для предотвращения катастроф в будущем. Для достоверной оценки уровня безопасности полетов в зоне конкретного центра УВД нужно накапливать статистику происшествий длительное время, так как катастрофы являются редкими событиями. Следовательно, данный способ оценки не дает возможности оперативно оценить уровень безопасности полетов в текущий момент времени.

Для оценки уровня безопасности полетов в зоне ответственности центра УВД в текущий момент времени требуется ввести оперативную оценку, которая позволяет дать объективное представление о динамике изменения безопасности полетов. Для этого при вычислении оперативной оценки уровня безопасности полетов должна использоваться наиболее полная информация о движении ВС и структуре контролируемого воздушного пространства. Здесь разделяются несколько задач: оценка уровня безопасности при полетах на трассах, в зоне подхода, при взлете и посадке ВС, руление в зоне аэродрома. Решения этих задач являются объектом исследований во многих странах [4, 5, 7−9, 11, 28−30, 32−54, 56−81].

Целью диссертационной работы является разработка алгоритмов оперативной оценки уровня безопасности полетов на трассах и при посадке ВС. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать алгоритмы оценки вероятности столкновения ВС и уровня безопасности полетов в реальном масштабе времени, которые в полной мере учитывают текущую информацию о движении ВС, получаемую от наземных средств наблюдения.

2. Разработать алгоритм определения вероятности успешной посадки ВС для оценки уровня безопасности полетов в реальном масштабе времени.

3. Провести анализ разработанных алгоритмов на основе компьютерных методов обработки информции с использованием имитационных примеров и записей реальной воздушной обстановки.

4. Разработать структуру и состав комплекса программно-аппаратных средств, которые функционируют на основании разработанных алгоритмов и предназначены для оперативного контроля соблюдаемого уровня безопасности полетов в центрах УВД.

Основные методы исследования. При разработке алгоритмов оценки уровня безопасности полетов на трассах и для посадки ВС в настоящей работе были использованы методы системного анализа, теории вероятности, теории случайных процессов, математической статистики и теоретические основы радиолокации. Анализ существующих и разработанных алгоритмов проводился методами математического моделирования, а также методами натурных испытаний в центрах УВД.

Научная новизна. В диссертации получены следующие основные результаты, характеризующиеся научной новизной:

1. Разработана новая вероятностная модель потенциально опасной ситуации при полете ВС, которая учитывает ошибки определения не только пространственных координат ВС, но и их скоростей.

2. Дано новое определение вероятности возникновения потенциально опасной ситуации при полете ВС, в котором учитывается не только минимально возможное расстояние между конфликтующими ВС, но и время до кульминации конфликта.

3. Разработан алгоритм оценки вероятности конфликта при полете ВС, использующая текущую траекторную информацию о местоположении ВС и их скорости.

4. Разработана новая вероятностная модель, позволяющая по оперативным данным наземных радиотехнических средств наблюдения, оценивать вероятность успешного приземления ВС.

5. Разработана структура и состав программно аппаратного комплекса оценки соблюдаемого уровня безопасности полетов, предназначенного для размещения в центрах УВД.

Практическая значимость работы. Разработанные и исследованные математические модели и алгоритмы являются основой для практической реализации программно-аппаратного комплекса, предназначенного для оперативного контроля соблюдаемого уровня безопасности полетов в центрах УВД. Использование комплекса позволяет произвести оценку уровня безопасности полетов в контролируемой зоне системы УВД, оповещение персонала центра УВД об опасности возникновения конфликта, регистрацию обнаруженных и наблюдаемых конфликтов, статистическую обработку данных о безопасности полетов, анализ причин и условий возникновения зарегистрированных опасных ситуаций.

Созданный на базе разработанных алгоритмов программно-аппаратный комплекс в настоящее время тестируется в Минском и Ереванском центрах УВД.

На основе выполненных исследований и полученных результатов в ходе диссертационной работы сформулированы следующие положения, выносимые на защиту:

1. Вероятностная модель потенциально опасной ситуации при полете ВС, учитывающая ошибки определения пространственных координат ВС и их скоростей.

2. Алгоритм оценивания вероятности конфликта при полете ВС, которая использует текущую информацию о местоположении ВС и их скорости, полученную в результате траекторной обработки радиолокационной информации.

3. Вероятностная модель посадки ВС и алгоритм оценки вероятности успешного приземления ВС, использующий оперативные данные наземных радиотехнических средств наблюдения.

4. Структура программно аппаратного комплекса для оперативной оценки соблюдаемого уровня безопасности полетов в контролируемой зоне центра УВД.

Апробация работы. Научные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах: седьмая, восьмая, девятая и десятая научные сессии аспирантов и соискателей ГУАП, посвященные Всемирному дню космонавтики, Санкт-Петербург, 2004 г., 2005 г., 2006 г. и 2007 г.- XI Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2005 г.- второй Международный конгресс «Безопасность в авиации», Киев, 2005 г.;

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ [12]-[17], [55], в которых изложено основное ее содержание. Работа [17] опубликована в издании, находящемся в перечне ВАК.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы.

Основные результаты проведенного исследования состоят в следующем:

1. Проведен анализ используемых в настоящее время алгоритмов оценки уровня безопасности полетов на трассах и при посадке. Все рассмотренные алгоритмы являются вероятностными. Алгоритм Рейха, обобщенный алгоритм Рейха, алгоритм NASA и алгоритм ГосНИИ «Аэронавигация» разработаны для случаев полета ВС по трассам, а алгоритм Семакова рассматривает случай посадки ВС. Рассмотренные алгоритмы имеют следующие особенности: а. В алгоритмах NASA и ГосНИИ «Аэронавигация» для вычисления вероятности (риска) столкновения учитываются только ошибки определения координат. В алгоритме Рейха и обобщенном алгоритме Рейха учитываются также и ошибки определения скоростей. б. Непосредственно вероятность столкновения вычисляется только в алгоритме NASA, в остальных алгоритмах оценивается риск столкновения. в. В алгоритмах NASA и ГосНИИ «Аэронавигация» учитывается только минимально возможное расстояние между ВС. Это приводит к завышенным значениям вероятности (риска) столкновения, когда ВС движутся по почти параллельным маршрутам, а также к равным рискам при сближении и расхождении ВС. г. В алгоритме Семакова вычисляется интервал, в который заключена вероятность правильной посадки ВС. Алгоритм является двумерным (не учитывается отклонение по курсу). В ограничениях на вертикальную скорость учитывается только верхнее (максимально допустимое) значение.

2. На основе проведенного анализа определен перечень свойств алгоритма оценки соблюдаемого уровня безопасности полетов, который был бы конкурентно способным по сравнению с вышеперечисленными алгоритмами: а. алгоритм должен учитывать всю совокупность статистических свойств оценок местоположения и скоростей пар ВСб. алгоритм должен учитывать текущее взаимное расположение ВСв. алгоритм должен предсказывать возможность столкновения (конфликта) — г. алгоритм должен хорошо сочетаться с особенностями вторичной (траекторной) и третичной (мультирадарной) обработки радиолокационной информации, поступающей от средств УВДд. алгоритм должен иметь простую математическую структуру. е. алгоритм должен дать возможность оценить вероятность столкновения ВС и вероятность конфликта ВС при движении на трассах и вероятность успешной посадки ВС в реальном масштабе времени при использовании современных средств вычислительной техникиж. алгоритм должен давать результаты, сравнимые с другими существующими к настоящему времени алгоритмами.

3. С учетом сформулированных требований разработан алгоритм оценки уровня безопасности полетов ВС на трассах. Введено новое определение вероятности столкновения, в соответствии с которым, вероятность столкновения вычисляется как вероятность совместного выполнения двух событий: минимально возможное расстояние между ВС должно попасть в интервал, равный удвоенному максимальному линейному размеру ВСвремя до достижения минимально возможного расстояния должно попасть в заданный интервал. Такое определение вероятности столкновения позволяет заблаговременно предсказать возможное столкновение и при этом значительно уменьшить вероятность ложных тревог. Разработанный алгоритм учитывает наиболее полную информацию о параметрах движения ВС (учитывает и ошибки определения координат, и ошибки определения скоростей ВС).

4. Рассмотрены два закона распределения ошибок оценки координат и скоростей (нормальный и двусторонний экспоненциальный законы распределения) для вычисления вероятности столкновения. Показана область применения каждого из законов распределения. Алгоритм оценки вероятности столкновения при использовании нормального закона распределения имеет довольно простую математическую структуру и при этом хорошо согласуется с особенностями траекторией и мультирадарной обработки, основанной на многоканальном фильтре Калмана. Для двухстороннего экспоненциального закона распределения при оценке уровня безопасности полетов требуется использование значительно больших вычислительных ресурсов и поэтому оправдано только в ситуациях, когда полеты ВС выполняются в зонах использования глобальных навигационных систем.

5. Разработан трехмерный алгоритм для оценки уровня безопасности полетов при полетах на трассах. В нем вычисления проводятся при условии нормального закона распределения ошибок определения координат и скоростей. В виду того, что определение координат ВС в горизонтальной и вертикальной плоскостях отличаются, в трехмерном алгоритме оценки уровня безопасности полетов на трассах были разделены ошибки определения координат в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

6. Разработан алгоритм оценки вероятности успешного приземления ВС, который учитывает наиболее полную информацию о посадке ВС: отклонения от глиссады в горизонтальной и вертикальной плоскостях, ограничения на вертикальную скорость снижения ВС и на координату точки первого касания посадочной поверхности. Алгоритм имеет простую структуру и может использоваться в реальном масштабе времени на современном оборудовании.

7. Произведен сравнительный анализ алгоритмов оценки уровня безопасности полетов на трассах и при посадке. Показано, что результаты, полученные при использовании разработанного алгоритма, соизмеримы с результатами, полученными при использовании наиболее известных алгоритмов оценки уровня безопасности полетов на трассах. Доказано, что разработанный алгоритм свободен от характерных недостатков вышеназванных алгоритмов: а. Предложенный алгоритм четко отслеживает динамику движения ВС. В отличие от существующих алгоритмов оценка вероятности столкновения в разработанном алгоритме монотонно возрастает по мере сближения ВС и резко убывает при расхождении ВС. Для случая отсутствия столкновения ВС, оценка вероятности столкновения постепенно убывает при сближении ВС и резко убывает при расхожденииб. алгоритм позволяет не только оценить вероятность столкновения, но заблаговременно его предсказать. Этот факт был доказан как для прямолинейной, так и для криволинейной траекторий движения ВСв. вычисления вероятности столкновения являются сравнительно простыми, что позволяет использовать данный алгоритм для расчета соблюдаемого уровня безопасности полетов в реальном масштабе времениг. для вычисления риска и вероятности столкновения с 7% точностью необходимо, чтобы СКО ошибок измерения дальности и азимута не превышали 50 м и 2' соответственно;

8. Проведен сравнительный анализ алгоритмов оценки вероятности успешного приземления ВС. Показаны основные преимущества разработанного алгоритма: алгоритм является трехмерным и учитывает большее, чем в алгоритме Семакова, количество информации о ходе совершения посадки. Кроме того, в данном алгоритме рассчитывается непосредственно вероятность правильной посадки ВС. При вычислении вероятности успешного приземления ВС учитываются момент первого касания ВС посадочной поверхности, ограничения на вертикальную скорость и отклонения от курса.

9. На базе предложенных алгоритмов были разработаны программно-аппаратные средства для оценки наблюдаемого уровня безопасности полетов в реальном масштабе времени.

Алгоритмы оценки уровня безопасности полетов, разработанные в настоящем диссертационном исследовании, положены в основу аппаратуры автоматизированного рабочего места менеджера по безопасности полетов «АРМ менеджера по безопасности». Составная часть АРМ менеджера по безопасности (индикатор уровня безопасности полетов) в настоящее время находится в опытной эксплуатации в двух центрах УВД. В результате опытной эксплуатации, в одном из центров УВД, были выявлены сегменты воздушного пространства, где с определенной частотой происходили нарушения норм эшелонирования. После проведения анализа данных нарушений при помощи АРМ менеджера по безопасности полетов были выявлены причины нарушений использования воздушного пространства.

В данной диссертационной работе исследованы алгоритмы оценки уровня безопасности полетов на трассах и при посадке. Для полного контроля уровня безопасности воздушного движения в зоне ответственности центра УВД требуется исследовать вопросы оценки уровня безопасности полетов в зоне подхода, при взлете и при рулении на аэродроме. Создание данных алгоритмов будет являться дальнейшим развитием результатов, полученных в рамках настоящего исследования.

Заключение

.

В диссертационной работе достигнута заявленная цель, решены поставленные задачи. Результатами исследования являются разработанные алгоритмы оценки уровня безопасности полетов на трассах и при посадке. В данных алгоритмах при оценке уровня безопасности полетов учитывается наиболее полная информация о параметрах движения ВС, получаемая из системы траекгорных измерений. При этом они имеют простую структуру и могут использоваться в реальном масштабе времени на современном оборудовании.