Способ мониторинга систематических погрешностей измерения барометрической высоты на основании данных о скорости
METHOD OF MONITORING BAROMETRIC HEIGHT SYSTEMATIC ERRORS BASED ON SPEED DATA

Область техники
Изобретение относится к навигационной технике и может быть применено в системе организации воздушного движения (ВД) в условиях сокращенных интервалов вертикального эшелонирования.
Уровень техники.
В связи с ростом интенсивности полетов гражданских воздушных судов (ВС) и переходом, в соответствии с правилами ИКАО, на сокращенные интервалы вертикального эшелонирования (RVSM) чрезвычайно важным является выполнение жестких требований к точности выдерживания заданной барометрической высоты эшелона.
Наиболее трудно контролируемой составляющей суммарной погрешности выдерживания высоты является погрешность ее измерения: она не выявляется ни экипажем, ни диспетчером, ни системой предотвращения столкновений ВС в воздухе. При этом наиболее важной составляющей погрешности измерения высоты является систематическая, которая является причиной отклонения от высоты эшелона на протяжении большого числа полетов и делает такое ВС опасным с точки зрения возможных столкновений. Эта погрешность связана в большинстве случаев с особенностями обтекания фюзеляжа в точке установки приемников воздушного давления (аэродинамическая погрешность) или ее учета (аэродинамическая поправка). Поэтому мониторинг систематических погрешностей измерения барометрической высоты при полетах в пространстве RVSM является обязательным (Doc 9574 AN/934 «Руководство по применению минимума вертикального эшелонирования в 300 м (1000 фут) между ЭП290 и ЭП410 включительно», издание 3, 2013, п. 6.1.1).
Существующие в настоящее время методы мониторинга предполагают либо наличие на борту ВС специального спутникового навигационного оборудования и присутствие наблюдателя, контролирующего его работу, либо организацию специальных наземных станций, использующих технологию MLAT (мультилатерация), позволяющую определять координаты ВС, находящихся в зоне действия этих станций. Основными недостатками данных методов являются высокая стоимость оборудования и сложность организации системы наблюдения для покрытия больших пространств.
Известен «Способ калибровки и повышения точности барометрических высотомеров с использованием спутниковой системы определения местоположения» (описание патента США, №6768449, www.espacenet.com), заключающийся в определении разницы измерений значений высоты, полученных от барометрического высотомера (БВ) и от GPS приемника. По полученным данным вычисляют среднюю разницу высот, а также среднестатистическую ошибку указанной разницы. Если отклонения среднестатистической ошибки превосходят заранее определенную величину допустимых отклонений, то процессор начинает вычислять необходимую величину калибровки БВ.
Недостатки данного способа заключаются в том, что:
- не решается задача выделения систематической погрешности измерения барометрической высоты, обусловленной искажением давления при обтекании ВС потоком воздуха;
- невозможно использовать данный способ при полетах на высотных эшелонах в связи с тем, что при полете на эшелонах следует измерять и выдерживать постоянной высоту, отсчитываемую не от уровня моря, а от изобарической поверхности, соответствующей стандартному атмосферному давлению.
i
Известен также «Способ периодического контроля (мониторинга) средств измерения барометрической высоты самолетов при их эксплуатации» (описание патента РФ на изобретение, №2221221, www1.fips.ru), основанный на измерении геометрической высоты с помощью спутникового навигационного приемника и барометрической высоты от штатного БВ, при котором на борту ВС регистрируют информацию от штатного спутникового навигационного приемника, а также информацию о геометрической и барометрической высотах, полученную по каналу автоматического зависимого наблюдения, вычисляют для пары ВС, состоящей из оцениваемого ВС и одного (i-го) из n встречных ВС, величину δ, характеризующую предварительную оценку погрешности измерения барометрической высоты, на оцениваемом ВС, полученные для n пар значения осредняются и осредненная величина принимается за окончательную оценку искомой величины погрешности штатного измерителя барометрической высоты.
В числе основных недостатков данного способа необходимо отметить следующие:
- информация обрабатывается и накапливается на борту ВС, в то время как она должна сосредотачиваться в государственном органе, контролирующем работу перевозчиков и отвечающем за безопасность ВД;
- необходимо оснащение ВС дополнительным оборудованием, в т.ч. каналами приема радиосигналов от окружающих ВС и аппаратными средствами для обработки и хранения полученной информации, что ведет к усложнению системы.
Известен также «Способ мониторинга выдерживания высоты эшелона полета» (описание патента РФ, №2390793, www1.fips.ru), заключающийся в том, что ВС, оборудованные бортовыми измерителями координат местоположения и параметров движения, а также приемопередающими радиостанциями, ведут передачу в один или несколько общих каналов; задают ограниченную область пространства для мониторинга выдерживания высот воздушными судами при полете на фиксированном эшелоне, который подлежит анализу, получают от ВС, находящихся в указанной области пространства, сообщения, содержащие идентификатор источника сообщения, данные о координатах местоположения, параметры движения, высоту заданного эшелона, измеренную барометрическую высоту, температуру окружающей среды, а также отсчет момента измерений по шкале единого времени, отсеивают недостоверные данные, а достоверные запоминают для дальнейшей обработки, задают вид описывающей функции, аппроксимирующей зависимость между барометрической и геометрической высотами, вычисляют коэффициенты описывающей функции, решают описывающую функцию и по данным бортовых измерений вычисляют для каждого ВС отклонение от заданной высоты эшелона.
Недостатками данного способа являются:
- определяется суммарная погрешность выдерживания высоты эшелона без выделения систематической погрешности измерения барометрической высоты, что значительно ограничивает возможность использования результатов мониторинга;
- предлагается сложное радио-взаимодействие между ВС, включая прослушивание радиосигнала каждой радиостанцией, что сужает применимость способа из-за необходимости оснащения ВС специальным оборудованием.
В качестве прототипа выбран «Способ мониторинга (периодического контроля) систематических погрешностей измерения барометрической высоты» (патент на изобретение, №2645815, www1.fips.ru), заключающийся в том, что выделяют область пространства для мониторинга, с бортов ВС, находящихся в заданной области пространства, вещают данные о горизонтальных координатах, геометрической и барометрической высоте, переданная информация принимается наземной радиостанцией.
Весь объем данных, полученных в выделенной области пространства, разделяется на сеансы наблюдений, каждый из которых определен в пространстве и времени; на первом этапе производится предварительная оценка систематической погрешности измерения барометрической высоты; на втором этапе - для каждого ВС отбираются сеансы с его участием и по результатам статистической обработки предварительных оценок погрешности выделяется систематическая составляющая погрешности измерения барометрической высоты, которая сравнивается с заданным порогом; ВС, для которых заданный порог погрешности превышен, признаются непрошедшими проверку.
Недостатком прототипа является невозможность принятия решения о допуске самолета к дальнейшей эксплуатации в случае, если мониторинг осуществляется в пространстве, где разница между высотой, отсчитанной от геоида и эллипсоида, составляет ощутимую величину. Это обусловлено тем обстоятельством, что в практике формирования геометрической высоты бортовым спутниковым навигационным приемником допускаются два варианта выбора начала отсчета - от эллипсоида или геоида, при этом информация о выборе начала отсчета не передается в сообщении с борта. В тех областях воздушного пространства, где разница между эллипсоидом и геоидом достигает ощутимой величины, возникает неопределенность при определении значения барометрической высоты.
Из-за этой неопределенности некоторые самолеты должны подвергаться дополнительным оценкам методами, не подверженными влиянию неоднозначного выбора начала отсчета высоты.
Целью предлагаемого способа является обеспечение мониторинга систематической погрешности барометрической высоты с использованием информации о путевой и истинной воздушной скорости, получаемой с борта. Так как истинная воздушная скорость и барометрическая высота, определяемые на борту связаны с погрешностью измерения статического давления, то по искажениям данных об истинной воздушной скорости можно судить о погрешностях измерения высоты.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого способа является повышение достоверности результатов мониторинга систематических погрешностей измерения барометрической высоты за счет исключения влияния неопределенности начала отсчета при определении барометрической высоты.
Указанный результат достигается тем, что с борта ВС, находящегося в выделенной для мониторинга области пространства, с определенной периодичностью передается информация о номере борта, истинной воздушной скорости, курсовом угле, векторе путевой скорости, барометрической высоте полета, времени и географических координатах. Переданная информация принимается и обрабатывается наземной станцией. Для обработки переданной с бортов информации организуют сеансы и, с определенным интервалом времени производят сбор данных. Весь процесс обработки результатов измерения разбивается на два этапа.
Первый этап соответствует обработке данных j-го (j=1…n) сеанса.
Первый шаг состоит в формировании вектора ветра по данным об измеренных на борту векторе воздушной и путевой скорости. Вектор истинной воздушной скорости  представляется в виде данных о ее модуле (показания бортовой системы воздушных сигналов) и направлении (курсе по данным бортовой курсовой системы). Передаваемый с борта вектор путевой скорости  формируется в штатной бортовой спутниковой навигационной системе и может использоваться непосредственно.
По полученной от каждого самолета информации о векторе истинной воздушной и путевой скорости в вычислительном устройстве формируется оценка вектора ветра  в точке нахождения данного самолета
Данные о векторе ветра, полученные для всех самолетов, осредняются для исключения влияния случайных погрешностей, присутствующих в каждом измерении. Осредненное значение вектора ветра  используется для определения эталонного значения вектора истинной воздушной скорости каждого самолета, участвующего в сеансе, с учетом соотношения:
Разность модулей вектора  и полученного с борта измеренного значения истинной воздушной скорости  определяет полученную в данном сеансе оценку погрешности ΔV измерения истинной воздушной скорости
э
изм
ΔV=V-V
ст
Полученное значение погрешности ΔV используется при определении погрешности измерения ΔР статического давления Р по известному соотношению
После подстановки в выражение для частной производной  известных (М.Г. Котик. Летные испытания самолетов. Машиностроение, 1968 г.) соотношений для дозвукового потока:
где:
- V - истинная воздушная скорость в км/час;
- М - число Маха;
Н
т
- Т, Т - температура наружного воздуха заторможенного потока в градусах Кельвина;
п
ст
- Р, Р - полное и статическое давления;
выражение для расчета погрешности статического давления приобретает вид:
Данное соотношение используется в алгоритме вычислительного комплекса с целью получения погрешности измерения статического давления. При этом входящие в него параметры определяются про известным соотношениям (Летные испытания систем пилотажно-навигационного оборудования. М., Машиностроение, 1986, стр. 68), в которых используются данные, полученные с борта или метеостанции:
т
Н
2
Т=Т(1+0,2М)
ст
Р определяется по соотношениям стандартной атмосферы с учетом полученного с борта значения барометрической высоты (Летные испытания систем пилотажно-навигационного оборудования. М., Машиностроение, 1986, стр. 68);
По полученной в данном сеансе погрешности измерения статического давления ΔР с учетом дифференциального уравнения статики атмосферы определяется погрешность измерения барометрической высоты:
где
- ρ - плотность воздуха,
- g - ускорение свободного падения
На втором этапе обработки путем осреднения данных о погрешности измерения барометрической высоты АН, полученных в n разных сеансах, выделяется искомая систематическая погрешность, при этом влияние случайных погрешностей сводится к минимуму. Эта величина сравнивается с назначенным ICAO допустимым значением и позволяет выделить потенциально опасные экземпляры ВС с повышенными систематическими погрешностями измерения барометрической высоты.
Зона мониторинга может быть организована при каждой наземной станции АЗН-В, и осредняться могут данные, полученные в разных зонах наблюдения.
Осуществление изобретения.
Предложенный способ осуществляется следующим образом. На борту ВС устанавливается стандартное оборудование, включающее штатные измерители барометрической высоты, спутниковые навигационные приемники, а также радиолокационные ответчики системы АЗН-В (автоматического зависимого наблюдения вещательного типа). Наземные станции оборудуются стандартным набором оборудования АЗН-В, обеспечивающим прием и регистрацию данных от всех ВС, находящихся в зоне ее действия, а также вычислителем, в котором зарегистрированные данные сеанса обрабатываются и вычисляется систематическая составляющая погрешности барометрической высоты для каждого ВС.
Процесс мониторинга состоит из сеансов, каждый из которых определен в пространстве и времени, в течение которых с определенным интервалом времени производят сбор данных, подлежащих обработке.
Процедура обработки данных состоит из двух этапов и заключается в следующем.
На первом этапе производится предварительная оценка систематической погрешности измерения барометрической высоты, включающая:
- оценку вектора ветра по формуле:
- статистическую обработку (путем осреднения) данных о векторе ветра по всей совокупности наблюдаемых самолетов, на основе которой получается уточненная оценка вектора ветра в данное время в районе наблюдения;
- получение оценки фактического значения истинной воздушной скорости на основе данных о путевой скорости и скорости ветра для каждого самолета;
- сопоставление вычисленной и полученной с борта информации об истинной воздушной скорости с целью получения оценки погрешности измерения истинной воздушной скорости, которая затем пересчитывается в единицы статического давления и барометрической высоты.
На втором этапе проводится осреднение полученной оценки в единицах барометрической высоты, которое принимается за фактическое значение погрешности.
Сопоставление полученной систематической погрешности с допустимым значением позволяет выявить ВС, на которых данная погрешность превышена.