Способ мониторинга систематических погрешностей измерения барометрической высоты при неоднозначности начала отсчета геометрической высоты
METHOD OF MONITORING SYSTEMATIC ERRORS OF BAROMETRIC HEIGHT MEASUREMENT IN UNCERTAINTY OF BEGINNING OF GEOMETRIC HEIGHT CALCULATION

Область техники
Изобретение относится к области навигации воздушных судов (ВС) и может быть применено в системе организации воздушного движения (ВД) в условиях сокращенных интервалов вертикального эшелонирования.
Уровень техники.
В связи с переходом, в соответствии с правилами ИКАО, на сокращенные интервалы вертикального эшелонирования (RVSM) при полетах гражданских воздушных судов (ВС) чрезвычайно важным является выполнение жестких требований к точности выдерживания заданной барометрической высоты эшелона.
Наиболее трудно контролируемой составляющей суммарной погрешности выдерживания высоты является систематическая погрешность ее измерения, которая является причиной отклонения от высоты эшелона на протяжении большого числа полетов и делает такое ВС опасным с точки зрения возможных столкновений. 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).
Применяемые 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 периодического контроля (мониторинга) средств измерения барометрической высоты самолетов при их эксплуатации» (описание патента РФ на изобретение, №2221221, wwwl.fips.ru), основанный на измерении геометрической высоты с помощью спутникового навигационного приемника и барометрической высоты с помощью штатного измерителя. Способ заключается в следующем:
- на борту ВС регистрируют информацию от штатного спутникового навигационного приемника, а также информацию о геометрической и барометрической высотах, полученную по каналу автоматического зависимого наблюдения от окружающих самолетов;
i
- вычисляют для пары ВС, состоящей из оцениваемого ВС и одного (i-ro) из n встречных ВС, величину δ, характеризующую предварительную оценку погрешности измерения барометрической высоты на оцениваемом ВС;
- полученные для n пар ВС 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.
В качестве прототипа выбран «Способ мониторинга (периодического контроля) систематических погрешностей измерения барометрической высоты» (заявка РФ, №2016150693, wwwl.fips.ru). В данном способе 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. На наземной радиостанции для каждого ВС с помощью вычислительного комплекса определяют разность геометрической и барометрической высоты, проводят статистическую обработку полученных данных и определяют погрешность измерения барометрической высоты на ВС, 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, заключающаяся в следующем:
- по полученным в заданном диапазоне высоты и горизонтальных координат наземной радиостанцией данным строится зависимость разностей между геометрической и барометрической высотой для всех наблюдаемых самолетов в функции координат и времени;
- для каждого ВС в каждом сеансе наблюдения определяется разность между разностью геометрической и барометрической высот для наблюдаемого ВС и ожидаемой разностью, определенной по полученной функциональной зависимости.
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.
В практике использования в авиации спутниковой навигации выяснилось, что по правилам ИКАО считаются допустимыми два варианта выбора начала отсчета геометрической высоты:
• от эллипсоида - стандартного представления земной поверхности в виде простой геометрической фигуры;
• от геоида - представляющего собой поверхность постоянного потенциала в гравитационном поле Земли и являющегося фигурой гораздо более сложной формы, чем эллипсоид.
Разница между простой поверхностью эллипсоидом и волнистой поверхностью геоидом (волна геоида) зависит от горизонтальных координат и может достигать десятки метров.
Вычислить эту разницу не подставляет труда, однако обстоятельством, затрудняющим использования прототипа, является то, что в выходных сигналах передаваемой с борта геометрической высоты не указывается выбранное начало отсчета. Поэтому в общую статистику попадают самолеты с разным началом отсчета, что приводит к неоднозначной трактовке полученных результатов.
Появление неопределенности в системе отсчета может привести к ошибкам в принятии решения. Возможны два типа ошибок: пропуск непригодного самолета и выбраковка пригодного.
Поэтому основной недостаток прототипа заключается в том, что при его использовании из-за неоднозначности начала отсчета геометрической высоты возникает неопределенность в оценке искомой систематической погрешности измерения барометрической высоты и в принятии решения о соответствии данного экземпляра самолета требованиям ИКАО.
Целью предлагаемого способа является обеспечение мониторинга систематической погрешности барометрической высоты в условиях полета при сокращенных интервалах вертикального эшелонирования и наличия неопределенности в начале отсчета геометрической высоты.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявляемого способа является исключение влияния неопределенности в выборе начала отсчета на принятие решения о результатах мониторинга.
Указанный результат достигается тем, что на этапе предварительной оценки систематической погрешности измерения барометрической высоты по полученным наземной радиостанцией данным строится зависимость разностей между геометрической и барометрической высотой для всех наблюдаемых самолетов в функции координат и времени. Далее для каждого ВС в каждом сеансе наблюдения определяется разность между разностью геометрической и барометрической высот для наблюдаемого ВС и ожидаемой разностью, определенной по полученной функциональной зависимости.
На этапе принятия решения для каждого ВС отбираются сеансы с его участием, и по результатам статистической обработки предварительных оценок погрешности выделяется систематическая составляющая погрешности измерения барометрической высоты. Для принятия решения о пригодности самолета для полетов в условиях RVSM формируются два порога: порог отбраковки (назначенный ИКАО порог плюс модуль разности начала отсчета) и порог одобрения (назначенный ИКАО порог минус модуль разности начал отсчета).
ВС, для которых оценка величины погрешности меньше порога одобрения, считаются прошедшими проверку. В случае если величина погрешности превышает порог отбраковки, ВС считается не прошедшим проверку. ВС, оценка погрешностей которых попала в интервал между двумя порогами, подлежат дальнейшему наблюдению.
Краткое описание чертежей.
Сущность изобретения поясняется на фиг. 1 и фиг. 2.
На фиг. 1 схематично изображено отличие геоида от эллипсоида,
где:
Δ - разница (может быть как положительной величиной, так и отрицательной в зависимости от выбора координат зоны наблюдения) между высотой (в метрах), отсчитанной от геоида и эллипсоида.
На фиг. 2 представлена иллюстрация механизма принятия решения по результатам мониторинга.
По вертикальной оси представлена обобщенная плотность распределения погрешностей измерения барометрической высоты по парку самолетов.
По горизонтальной оси показано формирование порогов. Приняты следующие обозначения:
доп
ΔН - нормируемый ИКАО порог допустимой величины погрешности измерения барометрической высоты;
1 - зона признания ВС годным;
2 - зона признания ВС непригодным;
3 - зона неопределенности.
доп
доп
доп
В процессе принятия решения о формировании порога, исключающего ошибку, заключающуюся в пропуске непригодного самолета, производится оценка влияния доли (n) ВС в сеансе, имеющих другую систему отсчета, чем оцениваемый. Очевидно, что 0≤n≤1. Разница Δ между высотой, отсчитанной от геоида и эллипсоида, постоянна для данной зоны наблюдения и может быть как положительной, так и отрицательной. Возникнет смещение оценки на величину произведения Δ*n. Модуль смещения оценки будут заключен в диапазоне 0≤|Δ*n|≤|Δ|. Наихудший случай, при котором возможен пропуск непригодного самолета, имеет место когда оцениваемая погрешность превышает нормируемый порог ΔН, а из-за влияния неоднозначного выбора точки отсчета геометрической высоты вычисленное значение оценки погрешности окажется по модулю меньше ΔН. Чтобы полностью исключить вероятность такого события для данной зоны, надо в качестве порога выбрать величину ΔН-|Δ|, то есть считать прошедшими проверку самолеты, уложившиеся в диапазон, суженный на |Δ|.
доп
Аналогично проводится принятие решения, которое исключает ошибку выбраковки пригодного ВС, при этом порог принятия решения должен быть ΔН+|Δ|. При превышении этого порога самолет следует считать непрошедшим проверку.
доп
Для ВС, попавших в пограничную зону неопределенности ΔН±|Δ|, нет достаточных оснований для принятия окончательного решения. Такие самолеты должны быть подвержены дополнительным испытаниям методом, который не зависит от начала отсчета геометрической высоты.
Осуществление изобретения
В месте сбора передаваемой с бортов информации на основании его горизонтальных координат определяется разница между геометрической (отсчитанной от эллипсоида) и геопотенциальной (отсчитанной от геоида) высотой, которая в дальнейшем используется при принятии решения об оценке данного самолета.
На этапе принятия окончательного решения наряду со сбором и обработкой информации, формируются два порога для принятия решения, зависящие от разности между геоидом и эллипсоидом в точке наблюдения. Самолеты, для которых оценка величины погрешности меньше меньшего порога, считаются прошедшими проверку. В случае, если величина погрешности превышает больший порог, самолет считается не прошедшим проверку. Самолеты, оценка погрешностей которых попала в интервал между двумя порогами, подлежат дальнейшему наблюдению или оценке методами, не зависящими от выбора начала отсчета высоты.