К вопросу о повышении безопасности полётов при использовании индикации на лобовом стекле воздушного судна

2007

НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Авионика и электротехника

№ 115

УДК 629.735

К ВОПРОСУ О ПОВЫШЕНИИ БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЁТОВ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ИНДИКАЦИИ НА ЛОБОВОМ СТЕКЛЕ

ВОЗДУШНОГО СУДНА

И.Г. ГОЛОВАНОВ, О.А. ГОРБАЧЁВ, Ю.И. КОБЫЛКИН, С.В. МИШИН Статья представлена доктором технических наук, профессором Зылем В.П.

Рассмотрены возможности использования на самолётах гражданской авиации систем отображения информации с индикацией на лобовом стекле (СОИ с ИЛС), их структурная схема и режимы работы. Приведён пример повышения точности алгоритма управления БЦВМ при реализации СОИ с ИЛС для самолёта Ил-76 на базе алгоритма оптимального фильтра Калмана-Бьюси.

Одной из основных задач, стоящих перед гражданской авиацией, является обеспечение безопасности полётов. Эта задача должна решаться при любых эксплуатационных условиях и при всевозможных сочетаниях неблагоприятных внешних факторов, включая отказы наземных систем, средств обеспечения и управления полётом, а также при отказе отдельных систем на борту ВС.

Безопасность полётов - комплексная задача, которая включает в себя выполнение ряда мероприятий, способствующих безаварийности полётов. Одним из направлений повышения безопасности полётов является разработка и внедрение автоматизированных систем управления ВС, обладающих возможностями синтезирования полётной информации для экипажа в зависимости от режима полёта ВС.

Для пилотирования воздушного судна (ВС) необходима непрерывная информация о параметрах полета, положении ВС относительно земли и т.д. Большая часть информации выдается пилоту приборным оборудованием и пилотажно-навигационным комплексом ВС, которые образуют систему отображения информации (СОИ).

Большую часть информации (до 70%) пилот получает с помощью зрительного анализатора [1]. При визуальном полете он непрерывно наблюдает как за внекабинным пространством, так и за показаниями приборов, к которым он обращается от 50 до 150 раз в минуту, задерживая взгляд на каждом из них от 0,3 до 0,9 секунды [2]. Это приводит к необходимости внедрения в СОИ обобщённых индикаторов. Наибольшая степень обобщённости достигнута в пилотажнокомандных (ПКП-72) и пилотажно-навигационных (ПНП-72) приборах. В этих приборах индицируется до девяти параметров. Высокая информационность этих приборов существенно облегчает создание информационной модели полёта по сравнению с использованием отдельных приборов. Несмотря на это, пилотирование ВС только по приборам ПКП-72 и ПНП-72 на многих режимах полёта затруднено, так как на них не индицируются такие важные параметры, как скорость полёта, вертикальная скорость ВС, высота полёта и т.д. Пилот должен получать эту информацию от других приборов. В то же время необходимо отслеживать внекабинное пространство на некоторых режимах полёта (посадка и взлёт ВС).

Решение этой задачи осуществляется с помощью принципиально новых технических систем СОИ на базе интегрированных индикаторов с применением электронно-лучевых трубок, жидкокристаллических индикаторов и БЦВМ.

СОИ данного типа позволяют:

- индицировать только ту информацию, которая необходима в данном режиме управления ВС, что приводит к снижению информационной загруженности пилота;

- выдавать пилотажно-навигационную информацию на фоне внекабинного пространства с помощью системы индикации на лобовом стекле (ИЛС);

- выдавать информацию с высокой степенью наглядности.

Особую важность имеет способность СОИ данного типа представлять пилотажнонавигационную информацию на лобовом стекле, которая дает пилоту возможность наблюдать её без переориентации глаз с приборной доски на внекабинное пространство. Эта способность особенно важна в режимах взлёта и посадки, так как существенно снижает утомляемость пилота и повышает безопасность полётов.

Первые системы индикации на лобовом стекле появились в 70-х годах прошлого века. Эти системы получили широкое применение в военной авиации для решения прицельнонавигационных задач. За последние десятилетия накоплен большой практический опыт применения их на летательных аппаратах военного назначения. Таким образом, для внедрения в гражданской авиации СОИ с ИЛС технических проблем не возникает. Основная проблема при внедрении таких систем - финансовая, связанная со сроками окупаемости затрат на их установку и рентабельностью их эксплуатации.

С другой стороны, авиакомпаниям необходимы конкретные доказательства эффективности СОИ с ИЛС при их внедрении. В [4] сформулированы следующие преимущества СОИ с ИЛС при их установке на гражданские ВС:

1. Обеспечение пилота «искусственным зрением»:

- позволяет различать визуальные ориентиры на высоте принятия решения и выполнять заход на посадку в условиях ограниченной видимости (снег, туман, дождь и т.д.);

- обеспечивает взлёт при плохой видимости, что позволяет снизить требования по минимально допустимой для данного типа ВС видимости, уменьшив число срывов рейсов и соответствующих экономических потерь;

- позволяет осуществить посадку по категориям ICAO II и III на ВПП, оборудованные только для посадки по категории I;

- допускает функционирование экипажа в задымленной кабине, так как индикация на лобовом стекле, по данным фирмы GEC - Marconi [4], при задымлении видна на одиннадцать минут дольше, чем на приборной доске.

2. Значительное уменьшение вероятности аварийной ситуации при рулении ВС в условиях современных аэропортов, которые имеют сложную топологию и содержат несколько ВПП и рулевых дорожек.

Последнее преимущество СОИ с ИЛС имеет важное значение, так как проводится сертификация системы управления движением по аэродрому на самолётах гражданской авиации [4].

Из вышесказанного следует, что наиболее эффективно СОИ с ИЛС могут быть использованы в следующих режимах движения ВС: руление ВС по аэродрому, взлёт и посадка ВС. Кроме того, СОИ с ИЛС обеспечивает постоянную выдачу пилотажно-навигационной информации пилоту на маршруте.

Ряд зарубежных фирм разработали и серийно выпускают системы отображения информации с ИЛС [4]: Head-Up Guidance System-HGS (Flight Dynamics), FV-2000 (Flight Vision), Head-Up Flight Display System-HFDS (Thales Avionics) и другие, в то время как отечественных СОИ с ИЛС для пассажирских самолётов пока не существует.

Рассмотрим обобщенную структурную схему СОИ с ИЛС, представленную на рис. 1.

Бортовые радиотехнические системы. Как правило, это системы, обеспечивающие «искусственное зрение»: инфракрасная система переднего обзора (ИСПО) и радар миллиметрового диапазона (РМД), радиолокационные станции измерения дальности до радиомаяка и курсового угла, системы посадки, радиовысотомер, система спутниковой навигации (GPS).

Системы пилотажно-навигационной информации. Включают в себя: инерциально-

навигационные системы, выдающие значения скоростей VN и VE, которые затем пересчитываются в БЦВМ в путевую скорость; системы навигационного комплекса, вычисляющие значения тангажа (и), крена (у), текущего курса (утек), заданного курса (уз), высоты (Н).

БЦВМ Г енератор Индикатор ИЛС

символов

Рис. 1. Обобщенная структурная схема системы индикации на лобовом стекле

БЦВМ реализует алгоритм управления генератором символов в зависимости от режима работы СОИ с ИЛС:

- в режимах «Посадка ВС», «Взлёт ВС» БЦВМ обеспечивает решение соотношений, определяющих положение ВС относительно ВПП, формирование сигналов, управляющих фронтом наклонных фигур вытеснения (НФВ), из которых синтезируется изображение ВПП и линии горизонта (ЛГ) в зависимости от координат самолёта (H, L, Z, и, у, уз, утек). При синтезе изображение моделирования эффекта движения самолёта методом геометрических преобразований телевизионных изображений связано с рядом ограничений математического характера. Так, двухмерность телевизионного канала даёт возможность преобразовать без искажений лишь двумерные объекты. При преобразовании трёхмерных объектов (синтез изображения ВПП) будут возникать искажения тем большие, чем больше отличается от плоскости поверхность моделирования. При больших пределах преобразования также будут возникать искажения, вызванные заменой точных операторов на приближённые. Для создания изображения необходимо математическое описание обстановки полёта и нахождение условий подобия. Эту задачу можно разделить на две части: математическое описание динамики моделирующих изображений и математическое обеспечение структуры изображения. Чем сложнее структура изображения и чем выше её динамичность, тем сложнее её математическая модель и тем труднее она реализуется практически. Изображение ВПП и ЛГ, обладающее неограниченной динамикой, может быть синтезировано с помощью НФВ. При этом неограниченная динамика обеспечивается различным управлением НФВ на ЭЛТ;

- в режиме «Руление ВС по аэродрому» местоположение ВС определяется по сигналам GPS. На СОИ с ИЛС выдаётся карта аэродрома и вся необходимая информация о движении ВС.

Генератор символов выдаёт сигналы на ЭЛТ - индикатор СОИ с ИЛС. Изображение с экрана ЭЛТ проецируется на комбайнер (синтезатор изображения). Принцип действия индикатора СОИ с ИЛС поясняет рис.2.

Пульт управления (ПУ). Обеспечивает управление режимами СОИ с ИЛС.

При установке СОИ с ИЛС на борту ВС она сертифицируется как основной прибор системы отображения информации. Ввиду этого требования к точности обработки пилотажнонавигационной информации в соответствии с алгоритмом управления ИЛС в БЦВМ возрастают. Одним из направлений повышения точности алгоритма управления СОИ с ИЛС является применение в БЦВМ алгоритмов оптимального оценивания параметров движения ВС на основе непрерывного фильтра Калмана-Бьюси (ФКБ) [3,5].

Рис. 2. Принцип действия индикатора ИЛС:

1 - ЭЛТ, 2 - зеркало, 3 - объектив, 4 - комбайнер, 5 -расчетная точка наблюдения.

Ниже приведён алгоритм оптимального оценивания координат ВС с помощью ФКБ на ПК. Данный алгоритм разработан для СОИ с ИЛС самолёта Ил-76. Моделирование выполнено при следующих допущениях:

- путевой угол равен углу курса, т.е. не учитывается ветер;

- радиомаяк находится в начале координат;

- антенна радиолокатора и инерциальная навигационная система (ИНС) находятся в центре масс самолёта;

- ошибка азимутальной выставки ИНС отсутствует (ИНС полностью скорректирована). Входными параметрами от бортовых систем являются дальность Б до радиомаяка и курсовой угол ф, измеряемый с помощью бортовой РЛС-П. Значения скоростей в земной системе координат Ук и Уе поступают от ИНС И-11-76 по восточному и северному направлениям гироскопов гироплатформы, которые пересчитываются в БЦВМ в путевую скорость.

На рис. 3 представлена структурная схема захода на посадку ВС.

На схеме: - х и х - координаты местоположения самолёта, причём Х1 - дальность; Х2 - линейное боковое отклонение;

ГЕ X 2

- ф - курсовой угол маяка, р = ат^------ат^ —;

Гм Хі

- Б - дальность ВС до радиомаяка, В = ^Х12 + Х2 .

Процесс оценивания описывается линейным дифференциальным матричным уравнением [5]:

X = АХ + Ли + % х,

где: Х - вектор состояния системы;

и - вектор управляющих воздействий;

А, А - матричные коэффициенты системы;

% д - вектор случайных возмущающих воздействий (шумов).

Рис. З.Структурная схема захода на посадку ВС Вектор измерений имеет вид:

г = нх + % 2,

где: Н - матрица-функция Якоби [5];

% ъ - вектор шумов измерения.

Величины % с и % независимы относительно друг друга.

Векторы измерения Z и управления и доступны для непосредственного измерения. Матрицы А, В, Н известны [5]. Необходимо путём обработки вектора измерений Z найти оценку X вектора состояния X, наиболее близкую к нему. Основной модуль алгоритма оценивания и модуль ковариаций имеет вид [5]:

X = АХ + ви + янт£- [г-НХ],

Я - АЯ - ЯАт + ЯНт8~1НЯ = £ ,

2 X

где: Н° - транспонированная матрица Якоби;

Я - ковариационная матрица ошибок оценивания;

£ и £ - спектральные плотности шумов Xх и Хъ.

Расчеты, проведенные на ПК, показывают, что моделирование с помощью непрерывного фильтра Калмана-Бьюси алгоритма оптимального оценивания повышает точность определения координат в режиме посадки в 1.5 раза.

Как и любая техническая система, СОИ с ИЛС, при всех достоинствах имеет недостатки, проявившиеся в ходе её эксплуатации. К ним можно отнести [4]:

- индикатор СОИ с ИЛС не совсем прозрачен и отражающие покрытия окрашивают внешние изображения в розовый цвет;

- яркие символы индикации СОИ с ИЛС «притягивают» взгляд пилота, вследствие чего он не всегда видит, что происходит в незакрытых этими символами областях пространства;

- при использовании СОИ с ИЛС зрительную систему человека не удаётся обмануть путём фокусировки изображения в бесконечность. В итоге у пилота на расстоянии вытянутой руки образуется так называемый «тёмный фокус», приводящий к неправильной аккомодации глаз и, как следствие, неправильной оценке дистанции;

- размещение индикатора СОИ с ИЛС над приборной доской неудобно с точки зрения компоновки кабины и с точки зрения наблюдения передней полусферы, так как корпус индикатора увеличивает высоту приборной доски и соответственно уменьшает зону наблюдения, особенно важную для пилотирования вблизи земли.

Несмотря на указанные недостатки, СОИ с ИЛС активно внедряются на зарубежных ВС гражданской авиации. Ведутся исследования по применению в них жидкокристаллических и микрозеркальных индикаторов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Денисов В.Г., Онищенко В.Ф. Инженерная психология в авиации и космонавтике. - М.: Машиностроение, 1972.

2. Деревянко Е.А., Завьялова Н.Д. Психофизиологическая характеристика деятельности лётчика при полёте по приборам / В кн.: Авиационная и космическая медицина. - М., 1963.

3. Красовский А.А. Аналитическое конструирование контуров управления летательных аппаратов. - М.: Наука, 1973.

4. Кучерявый А.А. Бортовые информационные системы. - Ульяновск, 2003.

5. Справочник по теории автоматического управления. /Под ред. А.А. Красовского.- М.: Наука, 1987.

INCREASING OF FLIGHT SAFETY AT USE OF INDICATION ON AIRCRAFT WINDSHIELD

Golovanov I.B., Gorbachev V.A., Kobilkin J.I., Mishin S.V.

Opportunities of systems of display of the information with indication on a windshield (the SOI with ILS) usage on planes of civil aviation, their block diagram and operating modes are considered. The example of increase of accuracy of algorithm of management FCC is resulted at realization of the SOI with ILS for Il-76 on the basis of algorithm of optimum filter Kalman-Bjusi.

Сведения об авторах

Голованов Игорь Григорьевич, 1955 г.р., окончил ВВИА им. НЕ. Жуковского (1981), ИрГТУ (1986), кандидат технических наук, доцент кафедры авиационных электросистем и пилотажнонавигационных комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА, автор более 20 научных работ, область научных интересов - автоматика и вычислительная техника.

Горбачев Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), кандидат физико-математических наук, доцент, заведующий кафедрой авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 24 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.

Кобылкин Юрий Иннокентьевич, 1939 г.р., окончил ИГУ (1972), доцент кафедры авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 14 научных работ, область научных интересов - радиофизика, связь, техническая эксплуатация авиационной техники.

Мишин Сергей Владимирович, 1960 г.р., окончил КВВАИУ (1980), кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой авиационных электросистем и пилотажно-навигационных комплексов Иркутского филиала МГТУ ГА, автор более 30 научных работ, область научных интересов - генерирование и преобразование электрической энергии переменного и постоянного тока.