Расчетно-экспериментальные методы анализа траекторного движения воздушного судна

Диссертация посвящена разработке новых расчетно — экспериментальных методов анализа траекторного движения воздушного судна (ВС) для выявления и предупреждения траекторных отклонений на основе использования инструментальной полетной информации.

Данное направление исследования тесно связано с решением актуальной проблемы обеспечения безопасности полетов (БП) путем совершенствования методов предотвращения и расследования авиационных происшествий (АП) и инцидентов. При этом, учитывая все возрастающую роль человеческого фактора в авиации по вине которого происходит до 70% АП и инцидентов, а также усложнение авиационной техники, проблема обеспечения БП требует, в общем случае, решения широкого круга научных и практических задач / 75, 8 9, ЭА, 50, 2, 57, 58, /.

Для современных подходов обеспечения БП наиболее характерна их профилактическая направленность по предотвращению АП и инцидентов: выявление и предупреждение различных отклонений в функционировании системы «Экипаж — ВС» на основе анализа инструментально зарегистрированной полетной информации (ПИ) и повышения эффективности ее использования/ 772, 10 /.

В этом профилактическом направлении возникает необходимость анализа, прежде всего, отклонений в выдерживании экипажем параметров положения и движения ВС в пространстве (траекторных отклонений), поскольку эти регламентируемые Руководством по летной эксплуатации (РЛЭ) параметры полета являются, как известно / 83 /, выходными характеристиками системы «Экипаж — ВС», определяя ее функциональную эффективность. В связи с вышесказанным анализ траекторного движения ВС с использованием инструментальной ПИ для выявления и предупреждения траекторных отклонений является актуальной темой исследования.

Сущность основных вопросов, рассматриваемых в диссертации, заключается в оценке возможностей существующих инструментальных средств контроля полетов, а также в разработке аналитического и статистического методов анализа траекторного движения ВС и их практической реализации. Необходимость разработки указанных методов обусловлена следующим состоянием рассматриваемых вопросов.

Основными инструментальными источниками информации о траекторных отклонениях ВС являются бортовые и наземные штатные средства объективного контроля (СОК) полетов. Анализ состояния СОК показывает, что их возможности существенно различны как по этапам полета, так и по типам Вс и, следовательно, возможности анализа ПИ оказываются также различными. При этом основными недостатками СОК и их применения являются: низкая оперативность получения информацииэкспресс — анализ данных СОК неудовлетворительно отражает полетную деятельность экипажа ВСконечная информация не дает цельного представления о полете, а ее форма часто нерациональна и неудобна в практическом использовании — практически не разработаны вопросы длительного хранения и анализа динамики качества выполненных полетов /, 8 7 /.

Одновременно с развитием СОК совершенствуются методы анализа ПИ с целью повышения эффективности ее использования. При этом совершенствование методов анализа траекторного движения ВС идет фактически по двум направлениям. Первое направление, где объектом анализа является один конкретный полет, традиционно связано, во-первых, с решением задач расследования АП и, во-вторых, с текущим (оперативным) анализом полета с целью выявления отклонений ?75 7 <94 /. Во втором направлении осуществляется статистический (периодический) анализ серии полетов за определенный период времени с целью выявления различных тенденций и причин траекторных отклонений / 108, /.

В первом направлении наиболее актуальными являются прямая и обратная траекторные задачи: восстановление расчетным путем по данным бортовых СОК траектории полета ВС и расчет значений ряда параметров полета, частично или полностью не зарегистрированных бортовыми СОК. В то же время возможности расчетно — экспериментальных методов решения указанных задач являются принципиально разными. Анализ показывает, что наименее разработанной является обратная траекторная задача, при решении которой к настоящему времени получены следующие результаты.

Первоначальные публикации были посвящены различным частным случаями, как правило, без использования ЭВМ (см., например, / /).

Следующей, наиболее характерной попыткой решения данной задачи, уже с применением ЭВМ, является методика восстановления параметров полета самолетов авиации общего назначения, не оборудованных бортовыми СОК ?5 /.В дальнейшем было установлено, что как прямая, так и обратная траекторная задача могут быть отнесены к классу задач параметрической идентификации / /00, 4 8, 32 /. Однако, полученные при решении обратной траекторией задачи расчетные формулы применимы только к отдельным частным случаям пространственного движения ВС. Кроме того, опыт применения расчетных методов показывает, что традиционные постановки задачи идентификации не охватывают всех вопросов и требуют использования сложных математических моделей/ 3/, 93/,.

Новый, специфический круг задач статистического анализа траек-торного движения ВС возникает с вязи с поиском причин траекторных отклонений. В настоящее время при выявлении и анализе причин АП и инцидентов, а также при решении задач летной эксплуатации получил распространение и оправдал себя подход с использованием факторного анализа (ФАН) данных / Ю, 87, 36 /. Опыт применения ФАН позволил получить целый ряд важных результатов, подтверждающих перспективность указанного подхода 13?, Ю8, ЗА, 35, 78 /. Вместе с тем, до настоящего времени практически не разработаны методы ФАН траекторного движения ВС во взаимосвязи с различными условиями (факторами) полета. В частности, отсутствуют схемы и методики статистического анализа траекторных отклонений (выявление тенденций) и условий при коррелировании исходных данных, позволяющих более достоверно оценивать качество полета и выявлять причины траекторных отклонений.

Таким образом, анализ состояния вопросов, рассматриваемых в диссертации, позволяет сформулировать следующие основные цели и задачи исследования.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повышение эффективности выявления и предупреждения траекторных отклонений путем совершенствования методов анализа траекторного движения ВС.

ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для достижения указанной цели в работе поставлены и решаются следующие задачи:

1. Оценка возможностей инструментального контроля полетов в системе предотвращения АП.

2. Разработка расчетного метода определения параметров полета ВС по результатам траекторных измерений.

3. Разработка статистического метода анализа траекторного движения ВС при выявлении причин траекторных отклонений.

4. Разработка автоматизированных процедур моделирования и оценки качества выполнения полетов.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. При решении поставленных задач использовались методы математического моделирования полета и теории идентификации динамических систем, математический аппарат аналитической и проективной геометрии, многомерный статистический анализ, статистические методы управления качеством продукции, методы компьютерной обработки и анализа экспериментальных данных. Результаты экспериментального исследования основаны на данных, полученных с помощью штатных средств объективного контроля (СОК) в рейсовых полетах и при расследовании АП. НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ:

— аналитический метод идентификации параметров движения самолета по результатам траекторных измерений;

— многомерный статистический метод анализа траекторного движения ВС;

— компьютерная методика анализа траекторного движения самолета на предпосадочной прямой.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА:

1. Геометрическая модель пространственного движения центра масс ВС.

2. Аналитические формулы и алгоритмы для расчета параметров пространственного движения самолета.

3. Структурная схема и обобщенный алгоритм адаптивной идентификации системы «Экипаж — ВС».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Применение разработанных методов и компьютерной методики позволяет: повысить оперативность и достоверность оценки качества полетаповысить эффективность использования полетной информации в условиях неполноты исходных данных СОКрасширить круг решаемых траекторных задач при выявлении причин траекторных отклоненийразработать методические рекомендации и.

— эавтоматизированные процедуры моделирования полетных ситуаций для повышения уровня профессиональной подготовки авиационного персонала.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ. Результаты диссертации внедрены в:

— Центре ГА СЭВ (1987 г.) г. Ульяновск;

— УВАУ ГА (1993 г.) г. Ульяновск;

— Федеральной авиационной службе России (1996 г.) г. Москва;

— Академии ГА Республики Казахстан (1998 г.);

— Академии ГА (1982 г., 1999 г.) г. Санкт — Петербург. ПУБЛИКАЦИИ. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы (i21 наименование) Объем диссертации: страниц основного текстарисунков;

4.4. Выводы.

1. Разработаны методические основы анализа траекторного движения ВС при заходе на посадку:

— выявлены траекторные особенности движения ВС по глиссаде;

— разработана методика определения параметров траектории ВС на.

— 189основе траекторных измерений с помощью штатного посадочного радиолокатора;

— разработана компьютерная методика экспресс-анализа посадочной траектории ВС и компьютерная программа визуализации тра-екторного движения ВС.

2. Получены экспериментальные результаты статистического траек-торного контроля в различных аэропортах: рассмотрена динамика статистических характеристик траекторных отклонений по глиссаде и скорости в контрольных точках БПРМ, ДПРМ и ТВГ траектории самолета ТУ-154.

3. Выполнена экспериментальная проверка расчетных формул и алгоритмов путем сравнения расчетных значений и измеренных с помощью МСРП параметров полета самолета ТУ-134. Показано также, что целый ряд полученных в работе расчетных формул либо полностью совпадает с формулами, приводимыми в литературе, либо новые формулы включают в себя хорошо известные формулы для частных случаев траекторного движения ВС.

4. Разработаны методические рекомендации по использованию рас-четно — экспериментальных методов:

— рассмотрены возможности получения исходной информации о траектории ВС и технической (компьютерной) реализации разработанных методов;

— приведено описание наиболее важных практических задач и методических особенностей их решения;

— предложен новый методический подход к использованию данных СОК в авиапредприятии (авиакомпании).

— 190.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Представленные результаты исследования позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Показано, что существующие традиционные постановки и расчетно-экспериментальные методы решения траекторных задач не охватывают всех вопросов. При этом основными причинами низкой эффективности использования полетной информации при выявлении и предупреждении траекторных отклонений являются:

— недостаточно решены вопросы организации сбора, автоматизированной обработки и сохранения траекторной информации в системе контроля полетов;

— недостаточно разработаны теоретические методы анализа траекторного движения ВС;

2. Разработана геометрическая модель пространственного движения центра масс ВС и предложен новый лодход при решении задачи ларамет-рической идентификации системы «Экипаж-ВС».

3. Получены новые аналитические зависимости между параметрами полета и формулы для оценки погрешностей расчета для общего случая пространственного движения самолета.

4. Разработана адаптивная схема и обобщенный алгоритм идентификации параметров полета, позволяющие регулировать точность расчетов путем настройки геометрических критериев формы пространственной траектории.

5. Разработана многомерная схема статистического анализа данных при выявлении причин траекторных отклонений, которая позволила:

— выявить взаимосвязь решаемых траекторных задач с различными схемами факторного анализа данных- 7 У1—.

— разработать и обосновать общую линейную математическую модель для решения траекторных задач при коррелировании исходных данных;

— построить количественный интегральный показатель траекторного движения ВС для оценки качества полета;

6. Разработаны и внедрены компьютерные методики: «Экспресс-анализ посадочной траектории самолета» и «Визуализация траекторного движения ВС» для воспроизведения и моделирования полета по данным СОК с применением средств машинной графики.

7. Даны методические рекомендации по использованию разработанных методов в задачах ЛЭ, расследования АП и инцидентов и профессиональной подготовки авиационного персонала.