Оценка эффективности комплексов светосигнального оборудованияаэродромов Арктической авиации

УДК 629

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ КОМПЛЕКСОВ СВЕТОСИГНАЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ АЭРОДРОМОВ АРКТИЧЕСКОЙ АВИАЦИИ

Дедов Сергей Владимирович

начальник методического отдела учебно-методического центра

Военного учебно-научного центра ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), кандидат технических наук, доцент

Дмитриев Владимир Михайлович

преподаватель кафедры авиационного электрооборудования и оптико-электронных систем Военного учебно-научного центра ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина» (г. Воронеж), кандидат технических наук

Потапов Андрей Николаевич

заместитель начальника кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов) Военного учебно-научного центра ВВС «Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», кандидат технических наук, доцент

Попов Павел Георгиевич

профессор кафедры физико-математических дисциплин НОУ ВПО "Международная академия образования", доктор технических наук, профессор

Допира Роман Викторович

заведующий отделением ЗАО "НИИ" Центрпрограммсистем", доктор технических наук, профессор

В статье представлен один из подходов к решению актуальной научно-прикладной задачи по оценке эффективности комплексов светосигнального оборудования аэродромов арктической авиации в условиях ограниченной видимости на основе моделирования развития визуального контакта летчика со светосигнальной картиной.

Ключевые слова:

• оценка эффективности,

• ограниченная видимость,

• визуальный контакт,

• светосигнальная картина,

• комплекс светосигнального оборудования.

Dedov Sergey Vladimirovich , chief of methodical department of the educational and methodical center of the Air Force Military educational scientific center "Military and air academy of professor N. E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin" (Voronezh), сandidate of Technical Sciences, the associate professor.

Dmitriyev Vladimir Mikhaylovich, teacher of chair of aviation electric equipment and optical-electronic systems of the Air Force Military educational scientific center "Military and air academy of professor N. E. of Zhukovsky and Yu.A. Gagarin" (Voronezh), Candidate of Technical Sciences.

Potapov Andrey Nikolaevich, deputy chief of chair of operation of radio engineering means (ensuring flights) of the Air Force Military educational scientific center "Military and air academy of professor N. E. Zhukovsky and Yu.A. Gagarin" (Voronezh), Candidate of Technical Sciences, associate professor.

Popov Pavel Gergievich, professor of physico-mathematical disciplines NOU VPO "International Academy of

education",doctor of technical Sciences, professor

Dopera Roman Viktorovich, head of the branch of JSC "Research Institute" Tsentrprogrammsystem", doctor of technical Sciences, pofessor

Аг^гс airfield runway lighting efficiency estimating based on simulating oflanding process in low visibility

The paper presents an approach to solving important scientific application at the evaluation of the effectiveness of military airfieldsrunway lighting in low visibility conditions using the integral index-based fashion.

Keywords:

• efficiency estimating,

• low visibility,

• visual contact,

• lighting picture,

• runway lighting.

Введение

Обеспечение безопасности, регулярности и эффективности полетов авиации зависит от многих факторов, обусловленных внешней средой, соотношением сил и средств, уровнем подготовки летного состава и характеристиками оборудования.

По статистике более 50 % авиационных происшествий и инцидентов происходит во время посадки, на этапе визуального пилотирования из-за потери ориентирования экипажем воздушного судна (ВС). Так, в течение крайних 10 лет произошло более 10 авиационных происшествий, причины которых связаны с отсутствием либо потерей экипажем визуального контакта с назем-

ными ориентирами.

Комплекс светосигнального оборудования аэродрома (КССО) обеспечивает командира ВС (КВС) световыми ориентирами на заключительном этапе посадки, так как безопасная посадка невозможна без наличия надежного визуального контакта с огнями светосигнальной системы.

Для ускорения и снижения стоимости разработки новых и модернизации суще-ствующих КССО, для обеспечения нормированного уровня безопасности полетов, а также для расследования авиационных происшествий и инцидентов целесообразно использовать методы и средства компьютерного моделирования. Таким образом, выбор и обоснование интегрального показателя оценки эффективности КССОявляются актуальными и представляют научный и практический интерес.

1. Формализованная постановка задачи

Под эффективностью применения КССО понимается степень его приспособленности к выполнению стоящей перед ним задачи. Основной задачей, решаемой КССО, является обеспечение экипажа ВС визуальной информацией для определения отклонения ВС от заданной линии курса и глиссады при посадке и определения положения ВС на ВПП и рулёжных дорожках аэродрома.

Исходя из анализа процесса посадки ВС на аэродромы в условиях I и II категории метеоминимума, ее можно разделить на два основных этапа: пилотирование по приборам до достижения нижней границы облачности и визульное пилотирование после выхода из облаков и установки визуального контакта с КССО.

Этап пилотирования по приборам основывается на непрерывном измерении величин отклонения самолета от

равносигнальных направлений линий курса и глиссады. Основным источником информации о положении ВС до момента выхода из нижней границы облаков является инструментальная система посадки.

В результате пилотирования по приборам ВС должно быть выведено в определенную область пространства перед ВПП, в которой летчик визуально оценивает качество захода на посадку. Если отклонения по высоте или боковые отклонения превысят допустимые значения, то летчик примет решение об уходе на второй круг или на запасной аэродром.

Для оценки эффективности функционирования КССО целесообразно ис-пользовать интегральный показатель, который позволит учитывать динамику развития визуального контакта летчика с КССО в зависимости от вышеописанных факторов.

На основе анализа процесса посадки были выделены факторы, влияющие на эффективность применения КССО в условиях ограниченной видимости, которые объединены в следующие группы факторов: характеристики средств радиотехнического обеспечения (РТО) полетов, характеристики КССО, уровень подготовки летчика (экипажа), характеристики ВС, метеоусловия. Для каждой группы факторов были выделены параметры, характеризующие данную группу факторов.

В результате исходными данными для решения задачи оценки эффективности КССО в условиях ограниченной видимости выбраны:

1. Характеристики КССО: СРО - схема размещения огней; параметры для каждого огня 10 - осевая сила света огня; вг ,О2 - углы наклона осевой линии огня; Ого Ото - ширина диаграммы излучения; Ц - цвет излучения огня).

2. Метеорологические параметры: ЕМдв - метеорологическая дальность ви-

димости; Нвнго - высота нижней границы облачности; / (ф) - индикатриса рассеяния; LФЗ - яркость фона земной поверхности; LН - яркость неба на горизонте.

3. Посадочные характеристики ВС: Vпос - посадочная скорость ВС; V - угол тангажа; фобз - угол обзора из кабины по линии вперед - вниз; оуВС , а2ВС - точность выдерживания ВС посадочной траектории по курсу и глиссаде.

4. Характеристики средств РТО: РТП - расчетная точка посадки; НМВС - минимальная высота снижения; а0 - угловая ошибка по курсу; Ол - угол наклона глиссады; О0 - угловая ошибка по глиссаде; аусп, агсп - точность выдерживания системой посадки линии курса и глиссады.

5. Уровень подготовки и состояние летчика: е - пороговый контраст; ТПР -время принятия решения.

Таким образом, для оценки эффективности необходимо решить задачу об определении наиболее информативного показателя эффективности из функции вида:

Ж = /

Е_„ =

I (АУ А ) • е 12

-а4

гд е I (Ог, От) - интенсивность излучения огня КССО с учетом диаграммы излучения огня в вертикальной и горизонтальной плоскости; Ог, От - углы между осевой линией огня и направлением визирования в горизонтальной и вертикальной плоскости; / - расстояние до текущего огня визирования; а - показатель ослабления света в атмосфере.

Для определения а использовалось 3,9

выражение6

А

МДВ

где DМДВ - метеороло-

гическая дальность видимости.

Для существующих КССО ВА с огнями фарного и прожекторного типа для определения диаграммы излучения I (0р0т) используется выражение:

I (6Г ,62 ) = I0е

где X - вектор исходных данных.

Результатом решения данной задачи будет выбор интегрального показателя эффективности, учитывающего максимальное количество параметров доминирующих факторов, влияющих на характеристики видимости ССК в процессе посадки.

2. Разработка математической модели ССК и алгоритма расчета ее параметров

Для оценки видимости огня необходимо определить освещенность сетчатки глаза (Еглаза ), создаваемую огнем, и ее пороговое значение ( Епор).

Для определения освещенности сетчатки глаза пилота была использована формула:

Критерием обнаружения огня КССО ВА выбрано превышение освещённости сетчатки глаза пилота Еглаза над пороговым уровнем освещённости Епор.

Наблюдение световых сигналов постоянного и импульсного действия осуществляется при некотором уровне фоновой яркости Ьф . Каждому Ьф соответствует определенное значение пороговой освещенности сетчатки глаза Епор . Поскольку пороги цветоощущения выше световых порогов, то на значительных расстояниях цветные огни воспринимаются белыми и приобретают свой цвет по мере приближения к ним наблюдателя. Суммарная яркость фона будет равна сумме ее составляющих:

Ьф = ЬФЗ еаФф + ь\\- еа'Вф 1 + Ь + Ь ,

ф ФЗ н I I глаза атм'

где Dф - расстояние от фона до точки наблюдения.

Влияние времени суток и вида под-

стилающей поверхности на яркость фона определяется через LН и LФЗ, которые входят в Формулу (4). Причем LФЗ определятся не только видом подстилающей поверхности, но и временем суток. Численные значения LН и LФЗ могут быть определены на аэродроме путем непосредственного измерения этих величин.

Составляющая яркости фона Ьгл1Сза создается за счет физического процесса рассеяния света от источников в глазу летчика и зависит от количества огней попадающих в его поле зрения. Ее значение рассчитывалось по формуле:

Ь

= 1

29 -I,- (в,)-е -I 2

где т - количество огней, попадающих в поле зрения летчика; 11 (01) -диаграмма излучения ьго аэродромного огня; а - показатель ослабления света в атмосфере; 11гл - расстояние ьго огня до глаза летчика; - угол фиксации ьго огня летчиком.

Так как на аэродромах в зависимости от схемы размещения может использоваться свыше 100 огней, то Lглaзa оказывает существенное влияние на яркость фона.

Для определения Ьатм использовалось выражение:

А =-а

уатм.

-

4-я',„

А',

- %

где / (щ) - индикатриса рассеяния; Фу - угол между заданным направлением наблюдения и направлением распространения излучения; 11}1 - расстояние от прожектора i до рассматриваемого слоя атмосферы j, которое отличается от предыдущего значения на величину д 1у2 - расстояние от рассматриваемого слоя атмосферы до глаза летчика.

Просуммировав значения яркости для всех огней, по всем участкам атмосферного слоя в направлении линии визирования наблюдателя, получим об-

щую яркость Lатм равную:

т п

ь =УУаь.. ,

атм / , / , уатм ? V /

г=1 ] =1

где т - количество огней, попадающих в поле зрения летчика; п - количество элементарных отрезков.

Для расчета параметров ССКА был разработан алгоритм1, основной задачей которого является определение видимости огней из всех точек траектории посадки. Решение о видимости огня принимается в случае, если освещенность сетчатки глаза больше светового порога освещенности, а решение о различении цвета огня - в случае, если освещенность сетчатки глаза больше цветового порога освещенности.

В результате оценки видимости отдельных огней из данной точки траектории посадки составляется карта видимости огней, которая и представляет собой ССК, наблюдаемую из заданной точки траектории посадки.

С использованием и алгоритма расчета параметров ССК ВА были проведены численные эксперименты с целью выявления влияния доминирующих факторов на видимость ССК.

3. Обоснование показателя эффективности КССО

С учетом вопроса об оценке эффективности радиосветотехнического оборудования аэродрома3 разработан алгоритм расчета параметров визуального контакта летчика ВС со ССК, состоящий из следующих этапов:

1 этап: ввод условий посадки.

На этом этапе вводятся такие параметры, как характеристики средств РТО, характеристики КССО ВА, уровень подготовки летчика, характеристики ВС, метеоусловия (подробно представлено) в формализованной постановке задачи.

1=1

2 этап: расчёт начальных координат. Для учёта стохастического характера процесса посадки для расчета начальных координат предлагается следующая модель:

I У = D РТП  tg"o + У СП + У ВС ;

U = Ортп  tg(вгж + во) + Zen + ZВС

где DPTn - дальность до расчётной точки посадки; уСП и zcn - случайные величины отклонений, обусловленных ТТХ наземной части СП, подчиненные нормальному закону распределения; уВС и zBC и - случайные величины отклонений, определяемые точностью выдерживания ВС линий курса и глиссады, подчиненные нормальному закону распределения.

Реализация , Уве , ?вс происходит методом Монте - Карло при нормальном распределении со следующими условиями:

м [ УСП ] =0;D [ УСП ] = ;

м [ zcn ] =0;D [ zcn ] = ;

<

м [ У ВС ] =0;D [ УВС ] = КВС ;

м [ Zbc ] = 0;D [ ZBC ] =

.2

' zBC

3 этап:расчет текущих координат.

Так как экспериментально полученные математическое ожидание и среднеква-дратические отклонения по курсу и глиссаде на различных удалениях меняются незначительно, то реальная посадочная траектория движения ВС заменена прямолинейной моделью:

'xt = - Vnoc  At  cos(eгл +в0)  eosa0; У< = У i-i- Кос At  eos(0a +в0)  sin a0; (10) z. = z.. -V Atsina;

t t-1 пос 0 "

где X ( ti) (x, , y,, z,) - текущие координаты ВС; X (tj-i ) (x-, y,-1, Zj-j) - предыдущие координаты ВС; At - время.

4 этап: определение параметров

визуального контакта. Для текущей точки траектории посадки рассчитывается ССК ВА и определяется выполнение условия визуального контакта - видимости 2-3 рядов огней в направлении посадки. В качестве результата функционирования алгоритм выдает информацию о количестве видимых огней, их расположении и выполнении условия визуального контакта для текущей точки траектории посадки.

Реализация 3 и 4 этапов имеет циклический характер и повторяется до приземления ВС.

В результате выполнения алгоритма будет получена информация о параметрах визуального контакта для каждой точки траектории посадки.

В качестве параметра визуального контакта для текущей точки траектории посадки предложен: L (X ($) - длина участка видимых огней по направлению оси ВПП (в глубину) из данной точки траектории посадки Х(Х) .

Для определения величины отклонений от заданного курса и глиссады летчику необходимо одновременно наблюдать 2-3 ряда огней в направлении посадки.

При принятии решения на посадку в условиях ограниченной видимости КВС вынужден действовать без визуального контакта с ориентирами ВПП. Он принимает решение, ориентируясь лишь на наличие визуального контакта с огнями приближения и с огнями светового горизонта. Поэтому на основе анализа процесса посадки в качестве показателя эффективности предлагается использовать вероятность наличия визуального контакта на высоте не ниже требуемой:

НВВКтреб H1

ВПР

+ Vch • Т

ПР

где ¥СН - вертикальная составляющая посадочной скорости ВС.

Определено, что ТПР принимает значение от 3 до 5 секунд, поэтому значение

НВВКтреб может варьироваться от НВВКтт

д0 НВВКтах.

В результате применения разработанного алгоритмического обеспечения будет получена случайная величина подчиненная нормальному закону распределения, с математическим ожиданием НВВКпрогноз , и СКО о .

Вероятность наличия визуального контакта на высоте не ниже требуемой, определяется выражением:

РВК = Р

Для определения вероятности наличия визуального контакта на высоте Нвнго > Нввк > НввКтреб предлагается воспользоваться следующим выражением:

Г H

ВВКтреб

- H

Рвк = 1-Ф

1 }

где ф(['

ВВКпрогноз

Л

2 dt.

Синтезированные модели и алгоритмы оформлены в виде пакетов прикладных программ для ЭВМ (наглядно-демонстрационного характера в среде Delphi 7.0. и инженерно-расчетного в среде Matlab 7.0.).

На основе анализа результатов моделирования процесса посадки и оценки РВК для различных условий в качестве критерия выполнения успешной посадки была выбрана РВК > 0,9 как обеспечивающая достаточный запас высоты

( НВВК - НВВКтреб >

Пример реализации разработанных алгоритмов иллюстрируется результатами моделирования развития визуального контакта и оценки вероятности наличия ВК летчика при посадке ВС. (Рисунки 1 и 2).

Если в качестве критерия возможности выполнения посадки выбрать РВК > 0,9 , то для ТПР = 3с условие будет выполнено ночью уже при МОДВ = 600 м, а для

летчиков с ТПР = 4 и 5с это условие будет выполнено при МОДВ = 700 и 800 м соответственно. Днем, в связи со значительной яркостью фона, условие РВК > 0,9 будет выполнено лишь при МОДВ = 800 м.

Рвк

0,8 0,6 0,4 0,2 0

о о о о о о о о

3 сек

•4 сек

МОДВ, м

•5 сек

Рисунок 1. Оценкавероятности наличия визуального контакта ночью

Рвк 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

^ ^

МОДВ, м

3 сек

•4 сек

• — 5 сек

Рисунок2. Оценкавероятности наличия визуального контакта днем

Оценка эффективности разработанного алгоритмического обеспечения показала, что его применение позволяет экономить до 40% времени летной проверки при облетах РТО и КССО в зависимости от типа КССО.

На основе анализа состава факторов по показателям в качестве интегрального показателя эффективности выбрана

1

РВК, которая позволяет учитывать на 12% больше параметров по сравнению с остальными показателями.

Таким образом, разработанное математическое обеспечение применимо для оценки эффективности КССО с учетом влияния таких групп факторов, как характеристики РТО, характеристики КССО, посадочные характеристики ВС, метеорологические условия, уровень подготовки летчика. Выбранный интегральный показатель эффективности позволяет учесть комплексное влияние указанных факторов на качество решения КССО задачи обеспечения экипажа ВС визуальной информацией при выполнении посадки ВС.

Литература

1. Зырянов Ю.Т., Дмитриев В.М. Моделирование и исследование влияния доминирующих факторов на видимость светосигнальной картины аэродрома // Научный вестник Московского государственного технического университета гражданской авиации. - 2010, №152. - С. 99-107.

2. Дмитриев В.М., Волков В.В., Зыря-

нов Ю.Т. Энергосберегающие технологии в проекти-ровании и эксплуатации комплексов светосигнального оборудования аэродромов// Энергобез-опасность и энергосбережение. -2011, № 2. - С. 22-26.

3. Дмитриев В.М., Зырянов Ю.Т., Ледовских Д.Н. К вопросу об оценке эффективности радиосветотехнического оборудования аэродрома // Авиакосмическое приборостроение. - 2011, № 8- С. 31-37.

4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2011618625 Российская Федерация. Программа расчета параметров математической модели светосигнальной картины аэродрома Дмитриев В.М. ^и); правообладатель ДмитриевВ.М. - 2011616871; заявл. 13.09.11.; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 2.11.11. - 1с.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ 2011618624 Российская Федерация. Программа для оценки эффективности применения комплексов светосигналь-ного оборудования аэродрома в сложных метеоусловиях Дмитриев В.М., Зырянов Ю.Т., Малы-ковК.А. ^и); правообладатели Дмитриев В.М., Зырянов Ю.Т., Малыков К.А. - 2011616870; заявл. 13.09.11.; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 2.11.2011. - 1с.

6. Зырянов Ю.Т., Малыков К.А. Управление профилактикой в организационно-технических системах / под общ. ред. Ю.Т. Зырянова. - М.: АСТ-ПРЕССКНИГА, 2006. - 223 с.