Использование виртуальной глиссады для вычисления отклонений летательного аппарата на конечном участке посадки

УДК 629.7.052 Т. И. Олевинская

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВИРТУАЛЬНОЙ ГЛИССАДЫ

ДЛЯ ВЫЧИСЛЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

НА КОНЕЧНОМ УЧАСТКЕ ПОСАДКИ

Дата поступления: 23.03.2017 Решение о публикации: 24.04.2017

Аннотация

Цель: Разработка способа вычисления параметров наведения летательного аппарата (линейного и углового отклонения от синтетической глиссады) по сигналам глобальной спутниковой навигационной системы. В отличие от существующих методов в качестве опорной поверхности для наведения по вертикали предполагается использовать наклонную плоскость, содержащую линию глиссады. Методы: Проведено экспериментальное исследование предложенного способа расчета отклонений, выполнено сравнение результатов с данными определения параметров наведения существующими методами. Результаты: Показано, что результаты вычисления отклонений от глиссады разработанным способом и теми методами, которые в настоящее время применяются для посадки транспортных самолетов, практически не отличаются. Практическая значимость: Использование освещенного в статье способа вычисления отклонений летательного аппарата от глиссады позволит существенно упростить развертывание наземного сегмента системы посадки в аэропортах, что даст возможность оборудовать спутниковыми системами точной посадки региональные аэродромы 3-4-го класса, которые оборудованы системами неточного захода на посадку (приводными радиостанциями или VOR) либо не имеют никаких радионавигационных средств. Внедрение системы спутниковой посадки позволит экипажам летательных аппаратов (ЛА), оснащенных соответствующим бортовым оборудованием, перейти в случае необходимости от полета по правилам визуальных полетов к полету по правилам полетов по приборам. Это понизит метеоминимум аэродромов, что приведет к уменьшению количества нелетных дней и повысит эффективность использования аэродромов и флота. Еще одно преимущество применения спутниковой системы посадки заключается в том, что она позволяет курсантам отрабатывать процедуру захода на посадку по курсо-глиссадной системе.

Ключевые слова: Глобальная навигационная спутниковая система, точный заход на посадку, глиссада, летательный аппарат, траектория посадки.

Tatyana I. Olevinskaya, postgraduate student, olevinska-ans@yandex.ru (National Aviation University, Kiev) APPLICATION OF VIRTUAL GLIDE PATH FOR CALCULATION OF AIRCRAFT DEFLECTION AT THE FINAL STAGE OF LANDING

Summary

Objective: The development of a calculation method of aircraft guidance parameters (linear and angular deflection from a synthetic glide path) by means of global satellite navigation system signals. As opposed to the existing methods, it is suggested to use an inclined plane, containing a glide slope line, as a base surface for vertical guidance. Methods: An experimental research was carried out, based on the suggested method of deflections' calculation, as well as the comparison of results was fulfilled with identification of guidance parameters' data by means of the existing methods. Results: It is shown that the results of calculating deflections from a glide path by means of the developed method and those methods, which are

currently applied in transport planes landing, are practically the same. Practical importance: Application of the given method of calculating aircraft deflections from a glide path will make it possible to simplify significantly the deployment of the ground segment of landing system in airports, which in its turn will give the opportunity to equip regional airdromes of the third and the forth class, which are currently equipped with imprecise approach systems (compass locators or, the so-called, VOR) or have no radio-navigation aids, with satellite systems of precision approach. Satellite landing system implementation will allow aircraft crews, provided with proper airborne equipment, to pass, in case of need, from a contact fly to an instrumental fly conducted under flight rules. The above mentioned will reduce airdromes meteorological minimum, which in its turn will cause the decrease in the number of non-flying days and increase the efficiency of airdromes and fleet exploitation. One more advantage of satellite landing system application is the fact that it allows students to work out the procedure of approach on instrument landing system.

Keywords: Global satellite navigation system, precision approach, glide path, aircraft, landing path.

Введение

Посадка летательного аппарата (ЛА) является одним из наиболее сложных, ответственных и потенциально опасных этапов полета. Для обеспечения возможности выполнять посадку в автоматическом режиме с середины ХХ в. используются системы точного захода на посадку, обеспечивающие горизонтальное и вертикальное наведение (измерение отклонения от намеченной траектории снижения). В настоящее время наиболее распространена радиомаячная курсо-глиссадная система ILS (Instrument Landing System) [1], активно внедряется спутниковая система посадки GLS (GNSS Landing System) [2]. По сравнению с ILS GLS обладает существенными преимуществами, в числе которых уменьшение количества наземного оборудования. Тем не менее развертывание спутниковой системы посадки в аэропорту сопряжено со значительными трудозатратами и требует согласований, поэтому сейчас системами GLS оборудуются только крупные аэропорты [3]. В Российской Федерации спутниковой системой посадки оснащены аэропорты Кемерово [4] и Рощино (Тюмень) [5].

В то же время существенная доля авиационных работ выполняется воздушными судами (ВС) малой авиации (весом до 21 т), которые используют для взлета и посадки региональные аэродромы 3-4-го класса (с несущей способностью покрытия до 30 т) и посадоч-

ные площадки, не являющиеся аэродромами. Отсутствие в аэропорту наземного посадочного оборудования и, как следствие, схемы инструментального захода обязывает такие ВС выполнять заход по правилам визуальных полетов (ПВП) [6]. Это, в свою очередь, накладывает ограничения, связанные с метеорологическими условиями. Так, минимальная горизонтальная видимость в зоне взлета и посадки для полетов по ПВП должна составлять 2000 м для равнинной местности и 5000 м -для горной. Заход по правилам полетов по приборам (ППП) по I категории 1САО можно осуществлять при горизонтальной видимости 800 м. Анализ архива метеосводок [7] о фактической погоде в аэропорту Борисполь за период с 1 по 30 ноября 2015 г. показал, что из 1265 периодов по 30 мин каждый для посадки по ПВП в равнинной местности были непригодны 96 периодов, а для посадки по ППП - 64. Таким образом, задача оборудования региональных аэродромов системами точного захода на посадку является актуальной. Наиболее перспективной, с этой точки зрения, является спутниковая система посадки GLS.

Анализ литературных источников

В настоящее время существует несколько подходов к вычислению параметров наведе-

ния при посадке по GLS. В 2001 г. компанией «Rockwell Collins» был получен патент на спутниковую систему посадки с принципом наведения, идентичным ILS (Satellite landing system having instrument landing system look alike guidance) [8]. Патент базируется на материале, изложенном в статье [9]. Опираясь на данные, изложенные в тексте патента [8], компания «The Boeing Company» создала собственную систему вычисления параметров наведения и в 2012 г. получила патент [10]. Оба метода разрабатывались с целью внедрения в аэропортах гражданской авиации для посадки транспортных ВС. В каждом из них для точного определения параметров наведения используется опорная плоскость сложной формы - конус либо гиперболоид из двух пластов, что предполагает сложные расчеты. В статье [11] предложен метод наведения, предполагающий вычисление углового отклонения по горизонтали от плоскости, содержащей взлетно-посадочную полосу (ВПП), с последующим вычитанием угла наклона глиссады.

Цель исследования

Ставится задача разработки способа определения отклонений ЛА от глиссады по сигналам Глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) с использованием в качестве опорных поверхностей вертикальной и наклонной плоскостей.

Изложение основного материала

Суть данного способа заключается в том, что в пространстве задаются плоскости курса и глиссады, пересечение которых образует заданную траекторию снижения (линию посадочного курса). Все линейные отклонения отсчитываются не от линии глиссады, а от задающих ее плоскостей.

Вертикальную плоскость (опорную плоскость курса) можно задать по координатам трех точек: L (соответствует точке LTP в документах ICAO [12]), P (соответствует точке GERP), T (соответствует точке DCP). Наклонная плоскость (опорная плоскость глиссады) задается точками P (GERP), T (DCP) и К (эта точка в документах ICAO не упоминается). Таким образом, для обеспечения наведения необходимо знать только геодезически измеренные координаты 4 точек на ВПП (рис. 1). Точка L находится на пересечении центральной оси ВВП с ее посадочным торцом. Точка Т расположена непосредственно над точкой L на высоте желаемого пересечения ЛА торца ВПП. Точка Р (точка, в которую проецируется глиссада) выбирается на центральной оси ВПП таким образом, чтобы угол наклона глиссады составлял около 3° (это значение может варьироваться в зависимости от типов и возможностей ЛА, для которых предназначена посадочная площадка). Точка К размещается на кромке ВПП так, чтобы отрезок РК был перпендикулярен центральной оси ВПП и параллелен ее торцам.

Рис. 1. Выбор точек на ВПП

Плоскость по координатам трех точек в пространстве задается следующим образом [13]:

z — z

x — xi У — У1 X2 — X1 y2 — yi Z2 — Z1 X3 — xi y3 — yi z3 — zi

= 0.

где (х1 у1 z1), (х2у2 z2), (х3у3 z3) - координаты точек, не лежащих на одной прямой. Подставив в уравнение (1) известные координаты трех точек, получим уравнение вида Ах + Ву + + Cz + Б = 0. Для того чтобы определить взаимное расположение точки (в рассматриваемом случае - бортового приемника ГНСС, расположенного поблизости от центра масс ЛА) и плоскости, нужно подставить координаты точки М(х, у, z) непосредственно в уравнение плоскости. Если решением уравнения станет положительное число, точка находится справа от плоскости, если отрицательное - слева. Если вычисляются отклонения в вертикальной плоскости (по каналу глиссады), положительные числа соответствуют отклонению вверх, отрицательные - отклонению вниз.

Расстояние от точки до плоскости (величина линейного отклонения) равно длине перпендикуляра, опущенного из точки на плоскость. Если задано уравнение плоскости Ах + + Ву + Cz + Б = 0 и координаты точки М (х, у, z), то расстояние можно найти по формуле

d =

\A  x + B  y + C  z + D\

Ja2 + в2 + с2

Угловое отклонение рассчитывается следующим образом:

A x l + B x m + C x n

sin a =

Va2+в2 + с2 x

/т2 , 2"

Vl +m +n

В формуле (3) А, В, С - коэффициенты уравнения плоскости, I, т, п - коэффициенты направляющего вектора прямой, соединяющей точки М и Р (центр масс ЛА и точку, в которую проецируется глиссада).

Измерение координат навигационным приемником, находящимся на борту ЛА, происходит в системе координат WGS-84 [14]. Поскольку посадка проводится на сравнительно небольшом участке, целесообразно осуществлять все расчеты в местной системе координат ENU (East-North-Up).

В качестве бортовой составляющей системы посадки в настоящее время обычно применяется Primary flight display, или PFD (рис. 2). Во время посадки на PFD отображаются два ряда точек - внизу и справа от основного изображения, которые предназначены для индикации соответственно бокового и вертикального отклонения.

Ромбы отображают текущее отклонение ЛА относительно посадочной траектории. Эта информация позволяет экипажу скорректировать положение путем отклонения рулевых поверхностей. Если посадка происходит в автоматическом режиме, коррекцию отклонений осуществляет автопилот. Цена деления шкалы в плоскости курса - 0,5° (одной точке соответствует 0,5°), в плоскости глиссады - 0,14° (одной точке соответствует 0,14°). Таким образом, полное отклонение (full scale deviation) в плоскости курса равно 2,5°, в плоскости глиссады - 0,7°. Максимально допустимое

Рис. 2. Бортовая составляющая системы посадки PFD

отклонение ЛА по время прямолинейного движения по глиссаде составляет 0,5 точки в плоскости глиссады и 0,25 точки в плоскости курса. При превышении данных показателей заход считается нестабилизированным, и экипаж или автопилот должен немедленно принять меры к уходу на второй круг.

Экспериментальное исследование

Для изучения предложенного способа определения параметров наведения на глиссаду при посадке был проведен эксперимент. Дата проведения - 20 октября 2016 г., место -набережная Макарова (г. Санкт-Петербург).

На ровном участке набережной с применением геодезического приемника С№8, лазерного дальномера и угломера был создан макет ВПП шириной 2 м, длиной 46 м, с углом наклона глиссады 5° и высотой пересечения торца ВПП, равной 2 м. Точка, в которую проецируется глиссада, равноудалена от торцов ВПП и находится на ее оси. Масштаб ВПП был выбран произвольно, на результаты измерения он влияния не оказывает.

Опорные точки, расположенные на ВПП, создают прямоугольник:

1. Точка Ь с координатами в системе WGS-84 [59°56,58.88863»К, 30°16,36.67707»Е, 18.

642] - точка на пересечении посадочного торца и оси ВПП.

2. Точка Р с координатами [59°56'59.56 987»Ч 30°16,37.25880»Е, 18.893] - точка пересечения линии глиссады с осью ВПП.

3. Точка Я с координатами [59°56'58.878 17»Ч 30°16'36.73029»Е, 18.649] - точка на пересечении посадочного торца и кромки ВПП (данная точка в вычислениях не участвует).

4. Точка К с координатами [59°56'59.55 853"К, 30°16'37.31310"Е, 18.887] - точка на кромке ВПП, выбранная таким образом, чтобы отрезок РК был параллелен отрезку ЬЯ.

5. Точка Т с координатами [59°56'58.88 880"К, 30°16'36.67760"Е, 20.663] - точка пересечения торца ВПП - расположена над точкой Ь на заранее выбранной высоте 2 м.

Схема взаимного расположения точек Ь, Р, Я, К, Т, созданная при помощи программы, написанной в среде МАТЬАВ [15], приведена на рис. 3.

Точки Ь, Р, Т задают плоскость курса (рис. 4, а), точки Р, Т, К - плоскость глиссады (рис. 4, б).

Все измерения координат проводились приемником Javad Sigma-G3 с подключением к спутниковой геодезической сети «GeoSpider» в режиме «кинематика», который обеспечивает сантиметровую точность как по горизонтали, так и по вертикали. На следующем шаге

2 v

1,51

0,5 0

Г:-..

О 5

Рис. 3. Схема взаимного расположения точек Ь, Р, Я, К, Т

z

Рис. 4. Плоскость курса

было осуществлено 24 измерения координат вышеуказанным приемником, который постепенно перемещался вдоль лазерного луча, направленного из точки Р в точку Т (имитировалась траектория движения бортового приемника во время посадки). Результаты измерений (трехмерные координаты каждой точки) представлены на рис. 5.

После обработки полученных координат по формулам (1)—(3) были получены значения угловых отклонений 24 точек от плоскостей курса и глиссады (рис. 6).

На рис. 6, а положительные значения соответствуют отклонению приемника ГНСС вправо от заданной в пространстве по точкам Р, Ти Ь плоскости курса, отрицательные - отклонению влево, на рис. 6, б положительные

значения - отклонению вверх от заданной в пространстве по точкам K, P и T плоскости глиссады, отрицательные - отклонению вниз. По горизонтали на графиках отложены порядковые номера измерений, по вертикали - угловое отклонение, в градусах.

Те же результаты измерений координат были использованы для определения отклонений методами, запатентованными компаниями «The Boeing Company» и «Rockwell Collins». В первом случае применялась модель плоской Земли (формулы также даны в [9]), во втором вычисления выполнялись для сферической подстилающей поверхности (формулы приведены в [10]). Результаты сопоставления полученных отклонений представлены на рис. 7, 8 (по горизонтали на графиках отложены по-

-0,5

б

Рис. 7. Результат сопоставления отклонений, полученных рассматриваемым способом

и методом «The Boeing Company»: а - в плоскости глиссады; б - в плоскости курса

рядковые номера измерений, по вертикали -угловое отклонение, в градусах).

Заключение

Из рис. 7, 8 следует, что расхождения оценок отклонения, определенных различными способами, незначительны.

Максимальная величина расхождения для канала курса составила 0,0013°, для канала глиссады - 0,28°. Таким образом, можно сделать вывод, что для участка, на котором производится посадка ВС малой авиации, эллипсо-идность Земли несущественна. Преимущество представленного в статье способа вычисления отклонений ЛА от глиссады перед применяющимися в настоящее время заключается в ис-

Рис. 8. Результат сопоставления отклонений, полученных рассматриваемым способом и методом «Rockwell Collins»

пользовании более простой опорной поверхности для вычисления отклонения по вертикали, следствием чего является уменьшение количества расчетов.

Практическое применение предложенного способа заключается в том, что значения углового отклонения ЛА от глиссады в двух плоскостях можно использовать в качестве вводных данных для последующей компенсации отклонения и стабилизации ЛА на глиссаде. Синтез закона управления автоматическим отклонением рулевых поверхностей на примере канала тангажа освещен в статье [16]. В формулу потребного угла отклонения руля высоты наряду с текущим отклонением ЛА от глиссады входят текущий угол тангажа, скорость ЛА (вопрос вычисления приборной скорости с помощью бортового приемника ГНСС подробно рассмотрен в [17]) и физические параметры самолета.

Библиографический список

1. Instrument Landing System and Ancillary Electronic Component Configuration and Performance Requirements. - URL : https://www.faa.gov/documentLi-brary/media/Order/6750.24E.pdf (дата обращения : 17.05.2017).

2. Ackland J. Global Navigation Satellite System Landing System / John Ackland, Thomas Imrich, Tim Murhpy. - URL : http://www.boeing.com/commercial/ aeromagazine/aero_21/gnss.pdf (дата обращения : 17.05.2017).

3. GNSS Frequently Asked Questions. - URL : https://www.faa.gov/about/office_org/headquarters_of-fices/ato/service_units/techops/navservices/gnss/faq/ laas/ (дата обращения : 17.05.2017).

4. S7 Airlines is the first Russian airline approved for GLS landing. - URL : https://www.s7.ru/home/about/ news/s7-airlines-is-the-first-russian-airline-approved-for-gls-landing (дата обращения : 18.05.2017).

5. Аэропорт Рощино принял воздушное судно по спутниковой системе захода на посадку. - URL : http://www.tjm.aero/mediacenter/news/149902/ (дата обращения : 18.05.2017).

6. Правила полетов. - Приложение 2 к Конвенции о международной гражданской авиации ICAO. Изд. 10-е. - Монреаль, 2005. - Июль.

7. Заболотников Г. В. Использование международных авиационных метеорологических кодов METAR (SPECI) и TAF / Г. В. Заболотников, М. Г. Ве-селкин. - СПб. : РГГМУ, 2006. - 33 с.

8. Satellite landing system having instrument landing system look alike guidance. Патент US 6239745. -URL : https://www.google.com/patents/US6239745 (дата обращения : 18.05.2017).

9. Stratton D. Al. Guidance Characteristics of GNSS Landing Systems / D. Al. Stratton // IEEE / AIAA Digital Avionics System Conference. - Бельвью, 1998. -Ноябрь.

10. Airplane Position Assurance Monitor. Патент US 20120265376 A1. - URL : https://www.google.com/pa-tents/US20120265376 (дата обращения : 18.05.2017).

11. Ковалевский Э. А. Определение параметров наведения при посадке летательного аппарата по технологии GNSS / Э. А. Ковалевский, В. В. Конин, Т. И. Олевинская // Вестн. Нац. авиац. ун-та. -2013. - № 3 (56). - С. 18-21.

12. Авиационная электросвязь. - Приложение 10 к Конвенции о международной гражданской авиации ICAO. Изд. 6-е. - Монреаль, 2006. -Июль.

13. Выгодский М. Я. Справочник по высшей математике / М. Я. Выгодский. - М. : Наука, 1977. -852 с.

14. Конин В. В. Системы спутниковой радионавигации / В. В. Конин, В. П. Харченко. - Киев : Холтех, 2010. - 509 с.

15. Васильев А. Н. Matlab : самоучитель. Практический подход / А. Н. Васильев. - СПб. : Наука и техника, 2012. - 448 с.

16. Петунин В. И. Синтез законов управления канала тангажа автопилота / В. И. Петунин // Вестн. Уфимск. гос. авиац. техн. ун-та. - 2007. - № 2 (20). -С. 25-31.

17. Конин В. В. Определение приборной скорости самолета без системы воздушных сигналов / В. В. Конин, Т. И. Олевинская // Вестн. Инженер. акад. Украины. - 2016. - № 3. - С. 15-18.

References

1. Instrument Landing System and Ancillary Electronic Component Configuration and Performance Requirements. URL: https://www.faa.gov/docu-mentLibrary/media/ürder/6750.24E.pdf (accessed: 17.05.2017).

2. Ackland J., Imrich T. & Murphy T. Global Navigation Satellite System Landing System. URL: http://www.boeing.com/commercial/aeromaga-zine/aero_21/gnss.pdf (accessed: 17.05.2017).

3. GNSS Frequently Asked Questions. URL: https://www.faa.gov/about/office_org/headquar-ters_offices/ato/service_units/techops/navservi-ces/gnss/faq/laas/ (accessed: 17.05.2017).

4. S7 Airlines is the first Russian airline approved for GLS landing. URL: https://www.s7.ru/home/ about/news/s7-airlines-is-the-first-russian-airline-ap-proved-for-gls-landing (accessed: 18.05.2017).

5. Aeroport Roshino prynyal vozdushnoye sud-no po sputnykovoy systeme zakhoda na posadku [Roshino airport received an aircraft via satellite landing system]. URL: http://www.tjm.aero/mediacen-ter/news/149902/

6. Pravilapoletov [Flight rules]. Attachment 2 of Convention on international civil aviation ICAO, issue 10. Montreal, 2005, July.

7. Zabolotnykov G. V. & Veselkyn M. G. Ispolzo-vaniye mezhdunarodnykh aviatsionnykh meteorology-cheskykh kodov METAR

8. Satellite landing system having instrument landing system look alike guidance. Patent US 6239745. URL: https://www.google.com/patents/US6239745 (accessed: 18.05.2017).

9. Stratton D. Al. Guidance characteristics of GNSS Landing Systems. IEEE/AIAA Digital Avionics System Conference. Bellevue, 1998, November.

10. Airplane Position Assurance Monitor. Patent US 20120265376 A1. URL: https://www.google.com/pa-tents/US20120265376 (accessed: 18.05.2017).

11. Kovalevsky E. A., Konin V. V. & Olevins-kaya T. I. Opredeleniye parametrov navedeniya pry posadke letatelnogo apparata po tekhnologii GNSS [Guidance parameters evaluation in the process of aircraft landing by means of GNSS technology]. National aviation University Bulletin, 2013, no. 3

12. Aviatsionnaya svyaz [Aeronautical communication]. Attachment 10 of convention on international civil aviation ICAO, issue 6. Montreal, 2006, July.

13. Vygodsky M. Y. Spravochnik po vysshey matematyke [Reference book on higher mathematics]. Moscow, Nauka Publ., 1977, 852 p.

14. Konin V. V. & Kharchenko V. P. Systemy sput-nykovoy radionavigatsii [Satellite navigation systems]. Kiev, Kholtekh Publ., 2010, 509 p.

15. Vasiliev A. N. Matlab. Samouchitel. Prakti-chesky podkhod [Teach-yourself book. Practical approach]. Saint Petersburg, Nauka i Tekhnika Publ., 2012, 448 p.

16. Petunin V. I. Syntez zakonov upravleniya kanala tangazha avtopylota [Control laws of autopilot pitch

attitude control synthesis]. Ufa State aviation Technical University Bulletin, 2007, no. 2

17. Konin V. V. & Olevinskaya T. I. Opredeleniye prybornoy skorosty samoleta bez systemy vozdush-nykh sygnalov [Assessment of aircraft indicated speed without air data system]. Vestnik Inzhenernoy akademii Ukraini [Engineering academy of Ukraine Bulletin], 2016, no. 3, pp. 15-18.

ОЛЕВИНСКАЯ Татьяна Игоревна - аспирант, olevinska-ans@yandex.ru (Национальный авиационный университет, Киев).