Применение ГИС и перспективных методов представления информации для повышения безопасности полётов

УДК681.2 И. Б. ГРИНБЕРГ

ПРИМЕНЕНИЕ ГИС И ПЕРСПЕКТИВНЫХ МЕТОДОВ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЁТОВ

Рассмотрены варианты применения геоинформационных систем и баз данных ландшафта в составе встраиваемых бортовых систем летательных аппаратов. Проанализированы преимущества трёхмерного представления полётной информации.

По статистике наибольшее количество лётных происшествий приходится на категорию, классифицируемую как CFIT (controlled flight into terrain - столкновение с поверхностью земли при управляемом полёте). Поэтому ещё в начале 70-х годов было принято решение о начале разработки системы, способной выдать сигнализацию об опасности столкновения с землей. Первые версии таких систем (в отечественной терминологии СППЗ - система предупреждения приближения к земле, в иностранной - GPWS -ground proximity warning systems) позволили существенно снизить количество подобных происшествий. В системах класса СППЗ реализованы следующие режимы сигнализации: чрезмерная скорость снижения;

- опасная скорость сближения с подстилающей поверхностью;

- недопустимая потеря высоты при взлёте; приближение к подстилающей поверхности, самолёт не в посадочной конфигурации;

значительное отклонение ниже линии глиссады.

Однако существенным недостатком подобных систем явилось то, что СППЗ принципиально не могут выдавать предупреждающий сигнал раньше, чем за 5-30 секунд до столкновения, что при условии плохой или нулевой видимости в большинстве случаев недостаточно для исправления опасной ситуации. Причём в некоторых случаях, например, при полёте над сильно пересечённым рельефом, эти системы могут и вообще не обеспечить сигнализации вплоть до самого столкновения.

В последние годы появилась возможность значительно расширить возможности таких систем за счёт использования цифровых баз данных земной поверхности. Это привело к появлению

© И. Б. Гринберг, 2005

принципиально новых систем (TAWS •- terrain awareness and warning system; С'РППЗ - система раннего предупреждения приближения к земле), реализующих как все режимы старых СППЗ (GPWS), так и ряд дополнительных режимов, позволяющих существенно повысить безопасность полёта воздушного судна. Анализ лётных происшествий категории CFIT за период 1985— 1995 гг. показывает, что установка новых систем класса TAWS смогла бы предотвратить от 95% до 100% из них. Поэтому, начиная с 2005 г., в большинстве регионов мира установка таких систем на гражданские типы ВС становится обязательной. В соответствии с распоряжениями Министерства транспорта Российской Федерации самолёты, взлётная масса которых превышает 15 000 кг, выполняющие полёты как в России, так и за рубеж, должны быть оборудованы системой СРГШЗ.

В современных системах раннего предупреждения приближения к земле дополнительно к функциям, характерным для СППЗ, реализованы следующие режимы, использующие базу данных ландшафта:

режим оценки местности в направлении полёта (forward looking terrain awareness);

функция предупреждения о преждевременном снижении (premature descent awareness).

Не смотря на то, что использование этих режимов в большинстве случаев позволяет заблаговременно предупредить пилота о возможном столкновении с землёй, информация о рельефе местности в таких системах представляется в двухмерном виде, например в виде карты, расцветка которой определяется высотой элементов подстилающей поверхности по отношению к текущей высоте воздушного судна. Ещё одним вариантом двухмерного представления информации является вид сбоку подстилающей поверхности вдоль прогнозируемой траектории полёта [11 (рис. 1).

Рис. 1. Представление характера подстилающей

поверхности в СРППЗ

Невозможность трёхмерного отображения информации о рельефе вызвана тем, что в системах СРППЗ используется база данных с недостаточно высокой разрешающей способностью. Так, в системе, описанной в [2], поверхность Земли разделена на ячейки, линейные размеры которых не больше линейных размеров ячейки в районе экватора с угловыми размерами 15" на 15".

В то же время современные вычислительные мощности позволяют достаточно быстро обрабатывать и визуализировать большие объёмы данных. Таким образом, появляется возможность использовать в составе систем раннего предупреждения приближения к земле базу данных рельефа с высокой разрешающей способностью. Одним из возможных вариантов представления данных является цифровая модель возвышений (DEM - Digital Elevation Model) [3]. Файлы DEM представляют собой двумерные массивы данных, содержащие значения возвышений над уровнем моря. Вся поверхность Земного шара разбита на квадраты, один из таких квадратов приведён на рис. 2.

Существуют различные разновидности DEM, отличающиеся, прежде всего, масштабом, однако наиболее рациональным с точки зрения обеспечения точности представления элементов ландшафта являются так называемые «7,5 minute DEM». В случае использования такого формата дискретность по горизонтали и вертикали (расстояния Дх и Ду на рисунке 2) составляет всего 10 метров.

Использование высокоточной базы данных рельефа в составе СРППЗ позволяет отойти от традиционного двухмерного представления подстилающей поверхности. В настоящее время ведутся активные подготовительные работы, основной целью которых является реализация трёхмерной визуализации окружающего ландшафта, что позволило уменьшить нагрузку на

пилота в случае плохой или нулевой видимости, облегчить осознание ситуации в полете. Ещё более облегчить задачу пилота позволяет наложение на трёхмерное изображение так называемого «туннеля в небе», когда желаемая траектория полёта изображается в виде контуров туннеля. Если летательный аппарат слишком отклоняется от заданной траектории, он выходит за рамки туннеля. Задача пилотирования сводится к тому, чтобы на экране двигаться внутри заданных границ. Чтобы ещё более упростить задачу пилота, рядом с туннелем следует изобразить «самолёт -лидер», который находится впереди и выполняет все манёвры, которые требуются для того, чтобы вписаться в заданную траекторию.

В работе [4] описаны эксперименты, проводимые с целью доказать преимущества подобной индикации по сравнению с двухмерным представлением информации. Результаты исследований приведены на рисунке 3.

Рис. 2. Представление геоинформационных

данных в формате DEM

Рис. 3. Сравнение точности следования заданной траектории при различных формах представления информации о рельефе

СКО от заданной траектории по горизонтали

а ско от

заданной траектории по вертикали

Приведённые результаты говорят о том, что применение передовых методов предстявления информации о подстилающей поверхности помогает значительно увеличить точность пилотирования. Кроме того, в условиях плохой видимости. когда от лётчика требуется максимальная концентрация, трёхмерная индикация позволяет уменьшить время, необходимое для принятия решения, что в свою очередь способствует увеличению безопасности полётов.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Transas Terrain Awareness - система раннего предупреждения приближения к земле. -Санкт-Петербург, 2003.

2. Вводов, М. А., Пухов Г. Г., Бабуров В. И. ГИС для систем обеспечения безопасности самолётов //Геопрофи. - 2004. - № 3. - С. 9-10.

Department of Interior. US Geological Survey. National Mapping Division.

4. Andrew K. Barrows. Keith \Y. Alter. Operational Experience with and Improvements to a Tim-nel-in-the-Sky Display for Light Aircraft. Stanford University.

OOO©eO0OOOO€@©OOOG3O

Гринберг Илья Борисович, аспирант кафедры ИВК.