Спосіб та пристрій посадки літаків за віртуальними криволінійними глісадами в межах граничних траєкторій

Реферат: Спосіб посадки літаків за віртуальними криволінійними глісадами в межах граничних траєкторій, в якому визначають оптимальні підйомну силу, швидкість і кут нахилу траєкторії для забезпечення посадки з постійним зниженням і забезпечують роботу двигунів у режимі польотного малого газу. Для зменшення завантаженості пілотів літака отримують дані від бортових систем літака і наземних диспетчерських центрів про поточний стан польоту, навколишнього середовища, кінцеву точку маршруту. Визначають фізичні та аеродинамічні параметри і характеристики літака, що дозволяють характеризувати нелінійності у поведінці літака і процес польоту, обробляють точну інформацію про стан польоту, навколишнє середовище і погодні умови, точку посадки літака. Розраховують граничні області керованості літака, що характеризують можливості літака по зміні параметрів руху в кожний момент часу, визначають і враховують невизначеність та відхилення у положенні літака. Застосовують адаптивні критерії оптимальності, призначені для забезпечення екологічності та економічності польоту, будують віртуальну криволінійну глісаду посадки літака в межах граничної траєкторії, яка потребує найменших ресурсів та потужностей літака, часу і відстані необхідних для етапу польоту. Починаючи від зниження з ешелону польоту до зупинки літака на злітно-посадковій UA 116055 C2 (12) UA 116055 C2 смузі, проводять попереднє перевірочне моделювання згенерованої віртуальної криволінійної глісади для забезпечення належного рівня безпеки. Здійснюють генерацію віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака в масштабі реального часу для врахування всіх можливих змін у процесі польоту. Винаходом також передбачено пристрій для здійснення даного способу. UA 116055 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід належить до галузі авіації, а більш конкретно стосується систем автоматичного керування та систем керування рухом повітряного транспорту, та, зокрема, способів керування положенням, висотою, курсом або орієнтацією літака на етапі посадкового зниження. Винахід поширюється на множину класів динамічних рухомих об'єктів, що мають як лінійні, так і нелінійні характеристики, з адаптивними системами керування, що ґрунтуються на використанні спеціалізованих математичних моделей і навігаційних пристроїв, та може бути використаний для підвищення безпеки, економічності та екологічності польотів в авіації, а саме на етапі посадки літака (посадкового зниження). Відомий спосіб та система керування літаком при посадці без двигунів [Патент РФ № 2321524, МПК В64D 45/04, G08G 5/02, 2008], що полягають в тому, що в основу способу покладено термінальне керування (керування кінцевим станом), при якому здійснюється періодичний прогноз кінцевого стану при заданій функції керування залежно від вибраного критерію якості. При цьому на кожному такті поточний стан літака приймається за початковий. Критерієм якості є запас висоти в ключових пунктах. Запропонована система включає в себе інформаційно-вимірювальний комплекс, який працює за набором алгоритмів, що у нього завантажені. Запропоновані спосіб та система дозволяють підвищити якість використання можливостей екіпажу, оскільки застосування прогнозування в системах керування відповідає характеру функціональної діяльності літака, який у відповідності до кінцевого результату прогнозу будує процес керування. Недоліками представленого відомого способу і системи є те, що вони не враховують нелінійності у поведінці літака під час заходу на посадку, а також мають обмежену працездатність, коли умови польоту різко змінюються і не відповідають номінальним. Найбільш близькими технічними рішенням, вибраним за найближчий аналог, є реалізація підходів заходу на посадку з постійним зниженням для максимальної прогнозованості [Патент США № US 8655506 В2, МПК G01C 21/00, G05D 1/0217, 2008]. Дане технічне рішення стосується способів розрахункових методів посадки з постійним зниженням і до навігаційних систем літака, призначених для реалізації цих методів. Суть винаходу полягає в тому, що велике прогнозування часу прибуття може бути досягнуто завдяки посадці з постійним зниженням з підтримкою стабільного аеродинамічного кута нахилу траєкторії. У способі визначають оптимальні підйомну силу, швидкість, кут нахилу траєкторії для забезпечення посадки з постійним зниженням. Передбачено, що посадка здійснюється при роботі двигунів у режимі польотного малого газу. У способі розраховується швидкість літака, яка повинна бути під час підходу до аеропорту. Зниження швидкості літака досягається за допомогою встановлення відповідних кутів нахилу траєкторії та атаки. Навігаційна система забезпечує виконання способу проведенням всіх розрахунків для прогнозування положення літака та отриманням даних про по точний стан від інших систем літака. Прогнозування здійснюється на основі використання попередніх та поточних даних з урахуванням параметрів, що мають бути у кінцевій точці. Недоліки технічного рішення, вибраного за найближчий аналог: 1. Не враховується нелінійності у поведінці літака під час заходу на посадку (посадкового зниження). 2. Обмеження працездатності підходу у випадку, коли умови польоту відрізняються від номінальних. 3. Не враховуються фізичні та функціональні властивості літака. 4. Для забезпечення високої якості виконання польоту не використовується інтегроване керування підйомною силою літака за допомогою всіх його функціональних можливостей. 5. Використання тільки кута атаки та кута нахилу траєкторії для зниження швидкості викликає велике навантаження на комерційний літак. 6. Навігаційна система призначена для реалізації заявленого підходу викликає додаткові складності при впровадженні через свою технічну складність, необхідність великої кількості матеріальних ресурсів та втручання у внутрішні системи літака, що в свою чергу має складності нормативної сертифікації. В основу заявленого способу поставлена задача генерації (розрахунку і побудови) віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака по граничним траєкторіям для підвищення безпеки, екологічності та економічності посадки літаків шляхом виключення недоліків найближчого аналога. В основу заявленого пристрою поставлено задачу практичної реалізації заявленого способу у вигляді окремого уніфікованого обладнання, шляхом використання даних від бортових систем літака та даних, що передаються з диспетчерських центрів на землі, що дозволить забезпечити високу якість виконання способу з мінімальними затратами. 1 UA 116055 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Перша поставлена задача вирішується тим, що в способі посадки літаків за віртуальними криволінійними глісадами в межах граничних траєкторій, при якому перед початком посадкового зниження літака в заявленому пристрої реалізується програмний алгоритм генерації (розрахунку і побудови) віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження і посадки літака в межах граничних траєкторій, який у свою чергу отримує дані з наземного диспетчерського центру або з наявної бортової бази даних про кінцеву точку посадки літака (її координати та характеристики злітно-посадкової смуги, місцевість, особливості аеропорту), отримує дані від бортових систем літака про поточний стан літака, режим та характеристики польоту і навколишнього середовища, отримує з бортової бази даних інформацію про фізичні та аеродинамічні параметри і характеристики даного конкретного типу літака, розраховує на базі наявного математичного апарата граничні області керованості літака (засновані на врахуванні всіх характеристиках літака) з урахуванням "зон невизначеності" (можливості відхилення у визначені точних координат літака, зі здійсненням періодичного прогнозу кінцевого стану) розраховує і будує на основі всіх отриманих даних віртуальну криволінійну глісаду посадкового зниження літака в межах граничних траєкторій (траєкторії, які потребують найменших ресурсів, та потужностей літака, часу і відстані для етапу від моменту початку зниження з ешелону польоту до зупинку літака на злітно-посадковій смузі). Крім того, програмний алгоритм включає функції розрахунку оптимальності виконання траєкторії посадкового зниження для максимального використання аеродинамічних компонентів системи керування літаком з мінімальним використанням двигунів. Процес розрахунку і побудови віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака відбувається в масштабі реального часу (з постійним перерахунком, коли кожний момент часу приймається за початковий), для врахування всіх можливих змін у процесі польоту. Суть заявленого способу полягає в розрахунку та врахуванні граничних областей керованості літака з урахуванням "зон невизначеності", нелінійностей у характеристиках польоту літака, характеристик та можливих змін у стані навколишнього середовища, критеріїв оптимальності виконання посадкового зниження літака, всіх функціональних та аеродинамічних можливостей літака для побудови віртуальної криволінійної глісади, під якою розуміється деяка траєкторія для руху літака, що може мати суттєво викривлену траєкторію для руху літака на межі його можливостей, для зменшення часу і відстані необхідних для етапу від моменту початку зниження з ешелону польоту до зупинки літака на злітно-посадковій смузі, і це дозволить виключити (усунути) недоліки найближчого аналога та забезпечити гарантований рівень безпеки посадкового зниження літаків, розширити область умов, в яких може функціонувати заявлений пристрій і спосіб, підвищити ефективність використання авіаційної техніки і можливостей екіпажу, а також суттєво зменшити шкідливий вплив на навколишнє середовище (за рахунок зменшення емісії та шумів двигунів) і забезпечити економію палива (матеріальних ресурсів). Друга поставлена задача вирішується тим, що в пристрої посадки літаків за віртуальними криволінійними глісадами в межах граничних траєкторій, що містить корпус в якому послідовно розташовані модуль аналізу даних, який під'єднаний до модуля розрахунку параметрів посадкового зниження і який під'єднаний до програмного модуля перевірочного моделювання, що, у свою чергу, далі під'єднаний до модуля формування керуючих команд. При цьому модуль аналізу даних включає в себе блок прийому даних, який під'єднаний до блока обробки даних і який під'єднаний до блока оцінки поточних польотних параметрів та навколишнього середовища. Модуль розрахунку параметрів посадкового зниження включає в себе блок врахування фізичних та аеродинамічних параметрів і характеристик літака, який під'єднаний до блока врахування даних про кінцеву точку маршруту, який під'єднаний до блока розрахунку граничних областей керованості літака (до якого, у свою чергу, також під'єднаний блок врахування невизначеності та відхилень положення літака), який під'єднаний до блока визначення та оцінки параметрів посадкового зниження, який під'єднаний до блока генерації глісади зниження (до якого, у свою чергу, також під'єднаний блок врахування критеріїв оптимальності). Крім того, модуль формування керуючих команд до систем літака, який під'єднаний до блока індикації та сигналізації, до якого під'єднаний блок накопичувальної бази даних. Така структура заявленого пристрою забезпечує виконання заявленого способу. Надалі винахід пояснюється описом конкретного прикладу його виконання і кресленнями, де зображені: - на Фіг. 1 - приклад розрахованої можливості граничної області керованості літака; - на Фіг. 2 - схематичний приклад віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака в межах граничних траєкторій; 2 UA 116055 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 - на Фіг. 3 - приклад згенерованої віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака в межах граничних траєкторій; - на Фіг. 4 - приклад індикації можливого руху літака на етапі посадкового зниження за заявленим способом; - на Фіг. 5 - структурна блок-схема заявленого пристрою. Заявлений спосіб реалізується таким чином. На конкретному літаку, що знаходиться в польоті на ешелоні і наближається до аеропорту, з моменту початку заходу на посадку (посадкового зниження) визначають постійно в масштабі реального часу точні координати розташування літака і враховують можливі невизначеності і відхилення його положення, яке обумовлене похибками оцінки поточної ситуації, неадекватністю математичних моделей, впливом навколишнього середовища, навігаційними похибками та інше. Отримують з диспетчерського центру на землі точну інформацію про точку приземлення (інформацію про місцевість, координати, злітно-посадкову смугу, навколишнє середовище). Отримують від систем літака точну інформацію про стан польоту, його характеристики і параметри, погодні умови, фізичні та аеродинамічні характеристики конкретного літака. Проводять оцінку та аналіз всіх отриманих даних. Розраховують граничні області керованості літака, що характеризують можливості літака по зміні параметрів руху в один момент часу і дозволяють характеризувати нелінійність поведінки літака і процесу польоту взагалі. Приклад такої області зображено на Фігурі 1. Після чого визначають параметри посадкового зниження літака, а саме: координати точки початку зниження; швидкість літака, кут атаки та нахилу траєкторії, починаючи з точки початку зниження і до кінцевої точки з відповідними змінами по всій траєкторії зниження; координати кінцевої точки зниження; час необхідний для зниження літака; параметри роботи двигунів з урахування максимального зменшення їх тяги; параметри задіяння всіх аеродинамічних компонентів систем керування літаком (руль висоти, елерони, закрилки, інтерцептори і т.д.). Зменшення тяги двигунів дозволить зменшити шкідливий вплив на екологію (зменшити емісію, шуму, вібрації та шкідливі викиди в атмосферу в районі аеропорту), а також підвищити економічність польотів шляхом економії палива та зменшення зносу двигунів. Задіяння всіх аеродинамічних компонентів системи керування літаком дозволить підвищити якість управління на етапі зниження, регулювати швидкість літака, забезпечити належний рівень безпеки польоту. Далі, на основі визначених параметрів генерують (розраховують і будують) віртуальну криволінійну глісаду посадкового зниження літака. Віртуальна криволінійна глісада посадкового зниження літака направлена на зменшення відстані і часу необхідних для зниження літака, забезпечення максимальної точності виконання зниження шляхом оновлення віртуальної криволінійної глісади в кожний момент часу із заданою дискретизацією (генерація глісади відбувається в масштабі реального часу), забезпечення індивідуальності для кожного літака, умов польоту та інших параметрів. Генерація віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження відбувається за наступним математичним апаратом: r1  45 50 2 2 V1 V2  , 2  g  cos1   n y1 2  g  cos2   n y1     r1 - радіус першої половини криволінійної траєкторії посадкового зниження; V1 - швидкість літака на початку слідування вздовж траєкторії; V2 - швидкість літака наприкінці слідування вздовж траєкторії; g - прискорення вільного падіння; 1 - кут нахилу траєкторії на початку траєкторії;  2 - кут нахилу траєкторії в кінці траєкторії; nv1 - перевантаження на всьому шляху траєкторії. h1  r1  cos1  cos2  , h1 - перепад висоти при виконанні зниження на першій половині траєкторії; r1 - радіус першої половини криволінійної траєкторії посадкового зниження; 1 - кут нахилу траєкторії на початку траєкторії;  2 - кут нахилу траєкторії в кінці траєкторії. 3 UA 116055 C2 r2  5 2 2 V3 V2  , 2  g  n y 2  cos2  2  g  n y 2  cos3      r2 - радіус другої половини криволінійної траєкторії посадкового зниження; V2 - швидкість літака на початку слідування вздовж траєкторії; V3 - швидкість літака наприкінці слідування вздовж траєкторії; g - прискорення вільного падіння;  2 - кут нахилу траєкторії на початку траєкторії; 3 - кут нахилу траєкторії в кінці траєкторії; n y1 - перевантаження на всьому шляху траєкторії. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 h2  r2 * cos2   cos3  , h 2 - перепад висоти при виконанні зниження на другій половині траєкторії; r2 - радіус другої половини криволінійної траєкторії посадкового зниження;  2 - кут нахилу траєкторії на початку траєкторії; 3 - кут нахилу траєкторії в кінці траєкторії. H  h1  h2  , H - загальній перепад висоти всієї траєкторії; h1 - перепад висоти при виконанні зниження на першій половині траєкторії; h 2 - перепад висоти при виконанні зниження на другій половині траєкторії. Забезпечення посадкового зниження літака за віртуальною криволінійною глісадою додатково дозволить зменшити завантаженість на пілотів літака, органи управління повітряним рухом, розвантажити аеропорти та наблизити авіацію до переходу від зональної навігації до вільних польотів. Крім того, при генерації віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака застосовують математичні ймовірності та адаптивні критерії оптимальності, які направлені на: забезпечення побудови граничної траєкторії посадкового зниження, що необхідно для максимального зменшення часу і відстані необхідних для посадки; забезпечення найменшої тяги двигунів на етапі посадкового зниження. Схематичний приклад віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження в межах граничної траєкторії зображено на Фігурі 2. В процесі реалізації способу, після побудови глісади посадкового зниження відбувається перевірочне моделювання виконання літаком траєкторії для забезпечення належного рівня безпеки. Приклад згенерованої віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження в межах граничної траєкторії конкретного літака в процесі перевірочного моделювання зображено на Фігурі 3. За результатами перевірочного моделювання відбувається формування керуючих команд до систем літака та органів індикації та сигналізації. Приклад індикації можливого руху літака на етапі посадкового зниження за заявленим способом зображено на Фігурі 4. Після завершення виконання способу (після кожної посадки літака) відбувається запис всіх параметрів посадки і віртуальної криволінійної глісади до накопичувальної бази даних для спрощення реалізації способу у разі повторення умов польоту. Звірка з базою даних відбувається при кожному початку реалізації способу. Заявлений спосіб має циклічний характер реалізації, виконуються в масштабі реального часу на кожному літаку під час посадки. Як зображено на Фігурі 5, пристрій генерації віртуальних криволінійних глісад посадкового зниження літаків в межах граничних траєкторій містить корпус 1 в якому послідовно розміщені модуль аналізу даних 2, модуль розрахунку параметрів посадкового зниження 6, програмний модуль перевірочного моделювання 14, і модуль формування керуючих команд 15. Модуль аналізу даних 2 включає в себе блок прийому даних 3, блок обробки даних 4, блок оцінки поточних польотних параметрів 5, що з'єднані послідовно. Модуль розрахунку параметрів посадкового зниження 6, у свою чергу, складається з блока врахування фізичних та аеродинамічних параметрів і характеристики літака 7, блока врахування даних про кінцеву точку маршруту 8, блока розрахунку граничних областей керованості 9, блока визначення та оцінки параметрів посадкового зниження 11, блока генерації глісади зниження 12, що з'єднані послідовно. Також на вхід блока розрахунку граничних областей керованості літака 9 подається сигнал з блока врахування невизначеності та відхилень положення літака 10, а на вхід блока генерації глісади зниження 12 подається сигнал з блока врахування критеріїв оптимальності 13, 4 UA 116055 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 що розташований у модулі 6 окремо. Модуль формування керуючих команд 15 складається з блока формування керуючих команд до систем літака 16, блока індикації та сигналізації 17, і блока накопичувальної бази даних 18, що з'єднані між собою послідовно. Пристрій працює наступним чином. На вхід блока 3 модуля аналізу даних 2 подається сигнал від навігаційних систем (радіолокаційних і супутникових), бортового комп'ютеру літака, наземного диспетчерського центру. Сигнал містить в собі всі необхідні дані для реалізації способу. З блока 3 сигнал передається на блок 4, де проходить цифрова обробка даних, їх перевірка та у разі необхідності певне накопичення. Далі сигнал з обробленими даними передається до блока 5, де відбувається оцінка поточних польотних параметрів на основі всієї отриманої інформації. Після оцінки інформації у блоці 5, сигнал з оновленими даними переходить з модуля 2 до модуля розрахунку параметрів посадкового зниження 6. В модулі, а саме у блоці 7 відбувається врахування у програмному алгоритмі всіх фізичних і аеродинамічних параметрів і характеристики літака. У блоці 8 враховується інформація про кінцеву точку маршруту літака. Далі сукупна інформація передається на блок 9, де відбувається розрахунок граничних областей керованості літака. Крім того, на блок 9 також подається інформація з блока 10 про врахування невизначеності та відхилень положення літака. На основі розрахованих граничних областей керованості та всієї іншої сукупної інформації у блоці 11 відбувається визначення та оцінка параметрів посадкового зниження, а у блоці 12 на основі інформації з блока 11 здійснюється розрахунок і побудова (генерація) глісади зниження. При цьому також враховується інформація з блока 13 про критерії оптимальності. Далі блок 12 забезпечує передачу даних до програмного модуля перевірочного моделювання 14, де відбувається імітаційне моделювання посадкового зниження літака за граничними траєкторією отриманою в блоці 12. За результатами моделювання інформація передається до модуля 15, де блок 16 забезпечує формування керуючих команд до всіх необхідних систем літака, включаючи двигуни та аеродинамічні компоненти системи керування. Блок 17 забезпечує індикацію та сигналізацію роботи пристрою для екіпажу літака. Блок 18 призначений для збереження всієї інформації виконання способу та роботи пристрою для подальшого використання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб посадки літаків за віртуальними криволінійними глісадами в межах граничних траєкторій, в якому визначають оптимальні підйомну силу, швидкість і кут нахилу траєкторії для забезпечення посадки з постійним зниженням і забезпечують роботу двигунів у режимі польотного малого газу, який відрізняється тим, що отримують дані від бортових систем літака і наземних диспетчерських центрів про поточний стан польоту, навколишнього середовища, кінцеву точку маршруту (місце приземлення), визначають фізичні та аеродинамічні параметри і характеристики літака, що дозволяють характеризувати нелінійності у поведінці літака і процес польоту, обробляють точну інформацію про стан польоту, навколишнє середовище і погодні умови, точку посадки літака (її координати, особливості місцевості та злітно-посадкової смуги), розраховують граничні області керованості літака, що характеризують можливості літака по зміні параметрів руху в кожний момент часу, визначають і враховують невизначеність та відхилення у положенні літака, застосовують адаптивні критерії оптимальності, призначені для забезпечення екологічності та економічності польоту, будують віртуальну криволінійну глісаду посадки літака в межах граничної траєкторії, яка потребує найменших ресурсів та потужностей літака, часу і відстані, необхідних для етапу польоту, починаючи від зниження з ешелону польоту до зупинки літака на злітно-посадковій смузі, проводять попереднє перевірочне моделювання згенерованої віртуальної криволінійної глісади для забезпечення належного рівня безпеки, здійснюють генерацію віртуальної криволінійної глісади посадкового зниження літака в масштабі реального часу для врахування всіх можливих змін у процесі польоту. 2. Пристрій посадки літаків за віртуальними криволінійними глісадами в межах граничних траєкторій, який містить модуль аналізу даних, вихід якого підключений через модуль розрахунку параметрів посадкового зниження до програмного модулю перевірочного моделювання, який підключений до модулю формування керуючих команд, який відрізняється тим, що в модуль аналізу даних введені блок прийому даних, блок обробки даних, блок оцінки поточних польотних параметрів, які з'єднані між собою послідовно, в модуль розрахунку параметрів посадкового зниження введені блок врахування фізичних та аеродинамічних параметрів і характеристик літака, блок врахування даних про кінцеву точку маршруту, блок розрахунку граничних областей керованості, блок визначення та оцінки параметрів посадкового зниження, блок генерації глісади зниження, які з'єднані між собою послідовно, причому до блока 5 UA 116055 C2 5 розрахунку граничних областей керованості підключений блок врахування невизначеності та відхилень положення літака, а до блока генерації глісади зниження підключений блок врахування критеріїв оптимальності, в модуль керуючих команд введені блок формування керуючих команд до систем літака, блок індикації та сигналізації і блок накопичувальної бази даних, які з'єднані між собою послідовно. 6 UA 116055 C2 7 UA 116055 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 8