Способ оценки маловысотного контура управления ЛА
METHOD OF ESTIMATING A LOW-LEVEL CIRCUIT OF AIRCRAFT CONTROL

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано для оценки качественных характеристик контура управления маловысотным полетом. Существующий в настоящее время метод оценки характеристик маловысотного полета (МВП) основан на применении средств внешнетраекторных измерений (ВТИ). Погрешность определения координат пространственного местоположения при выполнении МВП не должна превышать при этом 3...10 м. Для обеспечения указанной точности траекторных измерений существующими средствами ВТИ необходимо создать густую сеть (15...20) измерительных пунктов (ИП), расположенных в непосредственной близости от трасс МВП (на удалении не более 5 км), а также обеспечить в дальнейшем их эксплуатацию. Очевидно, что задача требует больших финансовых затрат, для закупки измерительного оборудования ИП, строительства и подготовки площадок, для размещения ИП в труднодоступных горных районах, для обслуживания и эксплуатации ИП.
При этом оценка маловысотного контура (МВК) при проведении испытаний будет получена не в полном объеме, так как выбранная «оптимальная» трасса не обеспечит исследование всех характеристик и будет по сути единственной, позволяющей выполнить оценку лишь в двух направлениях - туда и обратно. Порядок горных препятствий будет неизменным в соответствии с существующим горным рельефом полигона. Следует отметить, что в случае проведения оценки с использованием горного полигона задача обеспечения безопасности полета становится важнейшим фактором успешного проведения испытаний и потребует создания полномасштабного полунатурного стенда для проверки отказобезопасности контура управления МВП при вводе отказов различного рода (проверки в летных испытаниях недопустимы,   ввиду возможности потери объекта), потребует и проверки адекватности модели «рельеф-среда-ЛА». Каждый элемент модели при этом будет иметь свои допущения, что, в конце концов, приведет к наличию неисследованных характеристик МВП. Вместе с тем, при наличии банка данных об основных аэродинамических характеристиках с учетом особенностей компоновки ЛА и наличии методики расчетов можно разработать способ оценки эффективности пилотажно-навигационных комплексов ЛА в режиме МВП на ранних стадиях проектирования.
Отсутствие испытательных полигонов и специализированного оборудования внешнетраекторных измерений для проведения испытаний МВК управления ЛА в режиме МВП обусловливают необходимость разработки менее затратного, безопасного с точки зрения недопущения столкновения с препятствием и более приближенного к реальным полетам метода оценки МВК с применением «виртуальных» полигонов. Интеграция современных бортовых технологий измерения и методов воспроизведения поля рельефа местности позволят создать технологию синтеза виртуальных полигонов, разработать соответствующие методики наземных и летных испытаний МВК управления ЛА с существенно меньшими затратами. Предъявляемые сегодня на испытания перспективные ЛА военного назначения имеют высокоточные бортовые измерительные системы, регистрация данных которых (после подтверждения их точностных характеристик) может рассматриваться в качестве траекторных измерений в испытательных полетах. Понятие «виртуального» полигона можно представить, например, следующим образом. Полет на оценку МВК выполняется в условиях равнинной местности при отсутствии каких-либо опасных препятствий. К географическим координатам (φ, λ), определенным навигационной системой на борту ЛА, добавляются смещения Δφ, Δλ таким образом, чтобы положение ЛА относительно цифровой карты реальной местности (ЦКМ) соответствовало положению ЛА на испытательной трассе виртуальной местности (слабопересеченная, холмистая, горная местность, цепь гор,  водная поверхность и т.д.).  Локатор переднего обзора и
радиовысотомер при этом могут работать в обычном режиме в интересах обеспечения безопасности полета над реально пролетаемым рельефом местности. Последовательно меняя трассы от простой к сложной, можно будет получить характеристики МВК и ЛА в режиме МВП (точностные, устойчивости и управляемости, срабатывания средств обеспечения безопасности и др.) до проведения полетов по реальным трассам. Предложенный подход к созданию информационного обеспечения испытаний МВК ЛА ранее не применялся.
Известен способ проверки контура маловысотного полета путем имитационного моделирования, приведенный в книге: Современные информационные технологии в задачах навигации и наведения беспилотных маневренных ЛА./ Под редакцией Красильщиков М.Н., Серебрякова Г.Г. // М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009 г., с.476-516.
Однако приведенный в указанной книге метод позволяет лишь проверить работоспособность алгоритмического и программного обеспечения контура маловысотного полета.
Существуют множество программных комплексов моделирования, авиасимуляторов, разработанных с целью исследования поведения систем автоматического управления в различных режимах полета. Например, - Х-Plane - авиационный симулятор, разрабатываемый и распространяемый компанией Laminar Research.
При помощи указанных авиасимуляторов можно осуществить проверку законов управления и эффективности программно-математического обеспечения, но в них отсутствует возможность оценки МВК с применением «виртуальных» полигонов для эффективных испытаний МВК.
Существует способ построения трехмерных моделей подстилающей поверхности, описанный в статье К.А. Мамросенко, В.Н. Решетникова. Моделирование подстилающей поверхности в имитационных системах. / Программные продукты и системы// №4(112), 2015 г.
Из-за большого числа специальных файлов приведенная в указанном выше способе модель является вычислительно сложной и очень громоздкой в связи с большим числом точек: на больших моделях подстилающей поверхности (>3км) необходимо вводить дополнительные ограничения. Необходимо отметить, что на снимках будут видны объекты, находящиеся на поверхности Земли: деревья, дома, тени от домов, самолеты и другие. Для некоторых участков необходима очистка изображений от подобных объектов, такая работа, как правило, выполняется вручную и весьма трудоемка. Для формирования рельефа подстилающей поверхности возможно использование данных, полученных с помощью радарной топографической съемки Shuttle radar topographic mission (SRTM). При моделировании ландшафта с использованием данных SRTM возможно некорректное отображение местности. Например, прибрежный обрыв может быть смоделирован как пологий берег. Такое возможно, например, в случае недостаточного разрешения исходных данных, что приводит к интерполяции данных.
Цель изобретения - снижение материальных затрат и времени для испытаний контура маловысотного полета ЛА.
Поставленная цель достигается за счет того, что согласно заявленному способу оценки маловысотного контура управления летательным аппаратом (ЛА), содержащему моделирование виртуальной карты рельефа местности, использование динамической модели испытуемого ЛА, полет по заданному маршруту, дополнительно содержит разложение заданного маршрута горного рельефа на N (здесь приведены 16) элементарных звеньев, под которыми понимаются элементы подстилающего рельефа, расположенные на траектории полета, с характеристиками, заданными в тактико-техническом задании (фиг. 1-16), например, элементарное звено №1 - равнина, элементарное звено №2 - минимальный передний склон с заданным углом  элементарное звено №3 - максимальный передний склон с заданным углом  элементарное звено №4 - минимальный передний склон с
рел
рел
рел
рел
рел
рел
рел
рел
пр
выходом на равнину, элементарное звено №5 - максимальный передний склон с выходом на равнину, элементарное звено №6 - максимальный передний склон с прямым задним склоном, элементарное звено №7 - минимальный передний склон с максимальным задним склоном, элементарное звено №8 - максимальный передний склон с минимальным задним склоном, элементарное звено №9 - два последовательно стоящих одинаковых препятствия, элементарное звено №10 - «суша-море», элементарное звено №11 - «море-суша», элементарное звено №12 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин 1/2Н и Н, элементарное звено №13 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин Н и 1/2Н, элементарное звено №14 - два последовательно стоящих препятствия на расстоянии L друг от друга, элементарное звено №15 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин 1/2Н и Н на расстоянии L друг от друга, элементарное звено №16 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин Н и 1/2Н на расстоянии L друг от друга, при помощи приведенных звеньев, расположенных в нужном порядке, формируют горный рельеф с параметрами, заданными в ТТЗ на летательный аппарат (ЛА), разработанный маршрут привязывают к географическим координатам (φ, λ), определенным навигационной системой на борту ЛА, для каждого элементарного звена отдельно определяется область f(H, V) возможного выполнения МВП, совокупность таких областей фактически формирует общую область возможности выполнения МВП над заданным рельефом местности, зная которую, с использованием современных цифровых вычислительных машин (ЦВМ) (наземных и бортовых), возможно проложить маршрут полета ЛА в режиме МВП. В результате оценки всех предложенных звеньев для каждого звена формируют высотно-скоростную область конкретного ЛА, обеспечивающую безусловный облет препятствий. Совокупность звеньев, расположенных в любом порядке, формирует горный рельеф, который ЛА должен облететь на заданной высоте эшелона МВП. Выполняют МВП над каждым звеном последовательно во всем разрешенном высотно-скоростном диапазоне МВП. Полет на оценку МВК выполняется в условиях равнинной местности при отсутствии каких-либо опасных препятствий. К географическим координатам (φ, λ), определенным навигационной системой на борту ЛА, добавляются смещения Δφ, Δλ таким образом, чтобы положение ЛА относительно цифровой карты реальной местности (ЦКМ) соответствовало положению ЛА на испытательной трассе виртуальной местности (слабопересеченная, холмистая, горная местность, цепь гор, водная поверхность и т.д.). Последовательно меняя трассы от простой к сложной, можно будет получить характеристики МВК и ЛА в режиме МВП до проведения полетов по реальным трассам.
рел
рел
рел
рел
рел
рел
рел
рел
Принцип работы способа оценки маловысотного контура управления ЛА поясняется чертежами: фиг. 1 - элементарное звено №1 - равнина, фиг. 2 - элементарное звено №2 - минимальный передний склон, фиг.3 - элементарное звено №3 - максимальный передний склон, фиг.4 - элементарное звено №4 - минимальный передний склон с выходом на равнину, фиг.5 - элементарное звено №5 - максимальный передний склон с выходом на равнину, фиг.6 - элементарное звено №6 - максимальный передний склон с прямым задним склоном, фиг. 7 - элементарное звено №7 - минимальный передний склон с максимальным задним склоном, фиг. 8 - элементарное звено №8 - максимальный передний склон с минимальным задним склоном, фиг. 9 - элементарное звено №9 - два последовательно стоящих одинаковых препятствия, фиг. 10 - элементарное звено №10 «суша-море», фиг.11 - элементарное звено №11 «море-суша», фиг. 12 - элементарное звено №12 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин 1/2Н и Н, фиг. 13 - элементарное звено №13 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин Н и 1/2Н, фиг. 14 - элементарное звено №14 - два последовательно стоящих препятствия на расстоянии L друг от друга, фиг. 15 - элементарное звено №15 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин 1/2Н и Н на расстоянии L друг от друга, фиг. 16 - элементарное звено №16 - два последовательно стоящих препятствия с высотой вершин Н и 1/2Н на расстоянии L друг от друга, фиг. 17 - Маршрут полета при отсутствии на траектории препятствий, превышающих требования ТТЗ, фиг. 18 - Маршрут полета при наличии на прямой траектории АБ препятствий, превышающих требования ТТЗ, фиг. 19 - Крен в зависимости от скорости изменения курса при постоянной скорости полета ЛА, фиг.20 - Максимальная потеря высоты в зависимости от крена при постоянной скорости полета ЛА.
пр
«Звеньевой» метод оценки маловысотного полета (МВП) предполагает построение траектории полета над рельефом местности в виде произвольной последовательности элементарных звеньев - участков рельефа с параметрами, заданными в ТТЗ на ЛА. Для каждого элементарного звена отдельно определяется область f(H, V) возможного выполнения МВП. Совокупность таких областей фактически формирует общую область возможности выполнения МВП над заданным рельефом местности, зная которую, с использованием современных цифровых вычислительных машин (ЦВМ) (наземных и бортовых), возможно проложить маршрут полета ЛА в режиме МВП.
Маршрут полета может представлять собой прямую из точки А в точку Б (фиг. 17), если на траектории полета отсутствуют препятствия, которые ЛА  не сможет облететь в прямолинейном полете с кренами не более 7°, или ломаную линию (фиг. 18), если такие препятствия имеются (характеристики препятствий превышают требования, заданные в ТТЗ).
у мин
у макс
пp
ст
Во втором случае (фиг. 18) построение маршрута осуществляется таким образом, чтобы в результате смены курса характеристики ЛА, определенные «звеньевым» методом, позволяли преодолевать препятствие с заданной точностью, а налет на препятствие осуществлялся с креном не более 7°. Варьируя параметры n, n, V, определяющие величину стыковочной дальности L, возможно построение нескольких маршрутов движения ЛА из точки А в точку Б. При этом радиус зоны безопасного выполнения маневра
пp
ла
ст
для смены курса (d=f(V, γ, ΔΖ)) должен обеспечивать завершение маневра на дальности не менее L до следующего препятствия с выходом в горизонтальный полет (ГП), соответствующий крену γ<7°, на заданной высоте эшелона (фиг. 18).
При построении маршрута МВП необходимо осуществить выбор безопасной высоты эшелона МВП и определить максимально возможное отклонение ЛА от линии заданного пути в процессе полета между двумя соседними промежуточными пунктами маршрута МВП.
Рассмотрим этап определения безопасной высоты эшелона.
При полете в режиме МВП с кренами не более 7° (фактически прямолинейный полет) с включенным автоматом управления тягой (АУТ) высота безопасного эшелона будет складываться из следующих составляющих:
эш бп
зад эш
отк
пргр,
Н= Н + ΔΗ +ΔΗ                    (1)
где:
эш бп
-
Η безопасная высота при выполнении МВП;
эш зад
-
Н заданная высота эшелона МВП;
отк
-
ΔΗ запас высоты при отказе элементов МВК (определяется в процессе стендовой отработки отказобезопасности контура МВК);
пргр
-
ΔΗ запас высоты, обусловленный погрешностью используемого датчика измерения высоты (по результатам оценки в летных испытаниях).
Истинная высота полета ЛА будет определяться величиной безопасной высоты эшелона и высотой подстилающего рельефа:
ист
эш бп
рлф
Н = Н + Н, (2)
Изменение курса при выполнении МВП приводит к необходимости создания кренов более 7°, что в свою очередь допускает потерю высоты. Данный факт должен учитываться при определении безопасной высоты МВП. В этом случае в соотношении (1) добавляется составляющая, обусловленная потерей высоты из-за наличия крена.
эш бп
зад
погр
отк
Н= Н эш + ΔΗ + ΔΠ + ΔΗγ, (3)
-
где ΔΗγ  потеря высоты, обусловленная наличием крена.
Значение ΔΗγ фактически является величиной, зависящей от величины созданного крена, приборной скорости ЛА и его аэродинамических характеристик, поэтому параметр может быть определен только экспериментально.
Для определения данного параметра целесообразно заранее построить зависимости, представленные на фиг. 19 и фиг.20, которые в последующем могут быть использованы при расчете в ЦВМ.
Точное выдерживание ЛА линии заданного пути (ЛЗП) также является одним из факторов безопасного выполнения МВП. Возможное отклонение ЛА от ЛЗП складывается из нескольких составляющих, которые определяются точностью используемого датчика информации навигационной системы, точностью цифровой карты местности, точностью системы автоматического управления по выдерживанию заданной траектории, а также необходимым запасом в случае отказа элементов МВК. В общем случае:
ΗС
ЦКМ
САУ
ОТК
ΔΖ=ΔΖ+ΔΖ+ΔΖ+ΔΖ (4)
При этом значение ΔΖ формирует понятие безопасного створа выполнения МВП.
Полет выполняется в режиме выдерживания заданного курса, то есть с кренами не более 7° (соответствует режиму стабилизации заданного курса в автоматическом режиме управления «Стабилизации заданных углов»). Построение элементарных звеньев обеспечивается при помощи бортовой вычислительной машины над равнинной поверхностью, чем достигается полная безопасность выполнения оценки во всем эксплуатационном диапазоне МВП, включая проверку отказобезопасности контура в реальном полете. Оценке подлежат следующие типовые элементарные звенья (фиг. 1-16) с параметрами:
эш
-
Н высота заданного эшелона в МВП;
пс мин
-
Θ минимальный угол переднего склона;
пс макс
-
Θ максимальный угол переднего склона;
зс мин
-
Θ минимальный угол заднего склона;
зс макс
-
Θ максимальный угол заднего склона;
рел
-
Н высота рельефа;
ст
-
L стыковочная дальность.
В результате оценки всех предложенных звеньев для каждого звена формируется высотно-скоростная область конкретного ЛА, обеспечивающая безусловный облет препятствия. Совокупность звеньев, расположенных в любом порядке, формирует горный рельеф, который ЛА способен облететь на заданной высоте эшелона МВП.
Достоинством «звеньевого» метода оценки является дешевизна, безопасность выполнения полетов, полнота оценки характеристик МВП, возможность оценки отказобезопасности МВК в полете, возможность создания полной адекватной модели «рельеф-среда-ЛА», которая обеспечит точное моделирование МВП перед выполнением полета над реальным горным рельефом, возможность создания банка данных для автоматизации выбора и математического расчета маршрута МВП с использованием наземных и бортовых вычислительных ресурсов, что в свою очередь позволит обеспечить безопасность МВП над выбранным горным рельефом.
оп
Техническим результатом использования «виртуальных» полигонов являются: использование штатных бортовых информационных систем вместо моделей; воздействие на ЛА реальных возмущений (турбулентность атмосферы, близость «земной поверхности» и т.д.), кроме того, возмущение достаточно просто сымитировать; отсутствие необходимости в разработке модели рельефа местности и нештатного цифрового вычислителя на борту ЛА; возможность проведения обучения и тренажа летного состава в реальных полетах; оценка летным составом эргономики МВК; возможность оценки срабатывания средств безопасности и динамики выполнения увода с опасной высоты Н при наличии достаточного запаса по высоте; возможность использования полученных результатов после проверки гипотезы эргодичности рельефа для статистической обработки материалов испытаний; снижение количества полетов, необходимых для оценки МВК в
условиях горной местности; увеличение времени испытательного полета и снижение расхода топлива (отсутствие необходимости полета на горный полигон и обратно - полеты выполняются в условиях равнины) и, как следствие, уменьшение общего количества испытательных полетов на оценку МВК.