Системы управления полетами и воздушным движением в аэродромном воздушном пространстве

Цели, содержание управления и состав систем управления полетами и воздушным движением. Классификация систем управления

Управление представляет собой целенаправленное воздействие на какой-либо объект в процессе выполнения объектом некоторой задачи. Объектами управления могут быть коллективы людей с приданной им техникой или без нее, сложные технические или транспортные системы, предприятия промышленности, а также войска (силы).

Управление войсками (силами) есть целенаправленная деятельность командований, штабов и различных служб по поддержанию боевой готовности войск, по подготовке и ведению боевых действий с целью выполнения поставленных боевых задач в заданные сроки с наименьшими потерями.

Любая система управления всегда включает четыре основных элемента: объект управления, орган управления, прямую связь между органом и объектом управления и обратную связь между органом и объектом управления.

Отсутствие или утрата хотя бы одного из указанных элементов означает отсутствие управления как понятия и собственно системы управления.

Управление полетами воздушных судов представляет собой деятельность органов и пунктов управления государственной и экспериментальной авиации по управлению ВС в ВП аэродромов, полигонов, пилотажных зон и включает в себя деятельность командиров авиационных частей (подразделений), штабов, расчетов пунктов управления и различных служб по организации полетов, их радиосветотехническому обеспечению, непосредственному управлению и контролю выполнения установленных заданий и упражнений.

Цель управления полетами воздушных судов состоит в обеспечении выполнения их экипажами полетных заданий в соответствии с плановой таблицей полетов, предусматривающей порядок и время выполнения заданий с учетом безопасного выполнения всех этапов полета.

Управление воздушным движением представляет собой деятельность органов управления ВС на воздушных трассах, местных возлушных линиях и маршрутах полета, а применительно к ВС гражданской авиации — по управлению ВС и на площади маневрирования аэродромов и определяется как деятельность органов УВД по организации и аэронавигационному обеспечению воздушного движения, по контролю за выполнением ВС планов и режимов полета и непосредственному управлению ВД.

Цель управления воздушным движением состоит в максимальном удовлетворении потребностей пользователей ВП в безопасном выполнении ими своих задач (планов полета, полетных заданий) путем эффективного использования воздушного пространства и высокого качества управления.

Воздушные суда в силу своего предназначения являются объектами управления как на земле, так и в воздухе. А органы управления их движением вместе с прямыми и обратными связями в настоящее время представляют собой организационно-технические системы, элементами которых являются оперативный и технический персонал с приданными средствами управления, а также разнородные и объединенные в единую систему территориально разнесенные средства и комплексы. Так, например, организационно-технические системы управления воинскими формированиями и силами включают в себя: органы управления, пункты управления и средства управления.

Органы управления представляют собой группы специально подготовленных должностных лиц для управления воинскими формированиями, системами вооружения и другими объектами.

Пункты управления представляют собой специально оборудованные и оснащенные техническими средствами и системами места (помещения, здания) для размещения рабочих мест должностных лиц органов управления. К пунктам управления авиацией относятся: пункты наведения и командные пункты, радиолокационные посты, командно-диспетчерские пункты, центры сбора и обработки радиолокационной информации и другие.

Средства управления представляются разнообразными техническими средствами, предназначенными для сбора, обработки, накопления, передачи и отображения информации для оценки обстановки, формирования и передачи команд управления (радиолокационные станции, радиостанции, ЭВМ, средства связи и навигации и т.д.).

Организационно-техническая система управления воздушным движением аналогично системе управления воинскими формированиями включает в свой состав: органы управления, пункты управления и средства управления.

Системы управления полетами и воздушным движением реализуют цели и задачи управления, состоящие в следующем:

1. Предоставление пользователям в соответствии с их заявками и приоритетами необходимого воздушного пространства для выполнения своих задач с учетом воздушной и наземной обстановки и введенных ограничений на ИВП.

2. Обеспечение взлетающим и взлетевшим воздушным судам безопасного полета путем:

— предупреждения столкновений ВС в воздухе;

— предупреждения столкновений ВС с наземными препятствиями и землей;

— обеспечения экипажей ВС и органов управления полетами информацией для безопасного выполнения полетов (о метеоусловиях, об опасных и закрытых зонах и др.).

3. Установление и поддержание порядка при использовании ВП путем решения задач, обеспечивающих:

— снятие пиковых нагрузок с руководителей и диспетчеров в их зонах ответственности;

— исключение полетов в зонах ожидания, повторных заходов на посадку, отправку ВС на другие аэродромы.

4. Обеспечение экономичности полетов и воздушного движения за счет разработки оптимальных маршрутов и траекторий движения ВС.

Достижение указанных целей в системах управления полетами и воздушным движением непосредственно связано с решением следующих четырех комплексов задач управления:

— планирование полетов и ВД органами управления по месту, времени и пространству с учетом установленных норм безопасности;

— доведение планов полетов ВС до взаимодействующих и обеспечивающих полеты и воздушное движение органов и служб;

— формирование и доведение подтверждений органами и службами управления о взятии (принятии) на обеспечение заявленных полетов;

— непосредственное (оперативное) управление воздушными судами на всех этапах полета от взлета до посадки путем передачи экипажам ВС команд и данных, связанных с котролем полета, изменением обстановки, а также передачей ответов на запросы и сообщений с борта ВС.

Состав систем управления авиацией в аэродромном и во внеаэродромном воздушном пространстве рассматривается в пунктах 2.2 и 2.3 этой главы.

Системы управления полетами и воздушным движением классифицируют следующим образом:

а) по предназначению и масштабу решаемых задач различают:

— системы УВД федерального уровня, к которым относятся Единая система организации воздушного движения (ЕС ОрВД) и Военная федеральная стационарно-мобильная система организации воздушного движения РФ «Небосвод»;

— системы УВД регионального уровня, к которым относятся зональные системы УВД;

— системы УВД районного уровня, к которым относятся системы районов УВД;

— аэроузловые и аэродромные системы управления П и ВД.

б) по величине ВП, находящегося под контролем и управлением наземных оперативных органов, различают:

— зональные системы УВД, в том числе системы УВД с правом непосредственного управления ВС и ВД (контролируемая наземная территория составляет примерно 1000 км ´ 1000 км);

— районные (трассовые) системы УВД (радиус наземной круговой зоны контроля находится в пределах 400…500км);

— аэроузловые системы УВД (радиус наземной круговой зоны контроля находится в пределах 200…250км);

— аэродромные системы управления П и ВД (радиус наземной круговой зоны контроля находится в пределах до 150 км).

в) по степени автоматизации решения задач УВД различают:

— неавтоматизированные системы управления (НС УВД);

— системы УВД малой или частичной автоматизации (МА УВД);

— автоматизированные системы с различным уровнем автоматизации (АС УВД).

В настоящее время, как уже отмечалось выше, осуществляется реорганизация структуры воздушного пространства РФ путем укрупнения и сокращения числа районов ЕС ОрВД. Предполагается вместо 100 существовавших ранее районов создать 13 укрупненных, имеющих центры управления зонального типа с правом непосредственного управления воздушным движением.

Системы управления полетами в аэродромном воздушном пространстве государственной и экспериментальной авиации и системы управления воздушным движением в аэродромном воздушном пространстве гражданской авиации, как уже отмечалось, структурно состоят из трех взаимосвязанных частей: органов управления, органов оперативного управления (пунктов управления различного назначения) и средств управления (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 — Состав системы управления полетами
и воздушным движением в аэродромном воздушном пространстве

Органами управления являются штабы частей и подразделений государственной и экспериментальной авиации, группы планирования диспетчерских центров и пунктов гражданской авиации, которые занимаются планированием полетов и перелетов ВС, перевозкой пассажиров и грузов на основании планов боевой подготовки, распоряжений и расписаний, функционирующие не в реальном масштабе времени.

Органами оперативного управления воздушными судами в аэродромном воздушном пространстве являются командно-диспетчерские пункты (КДП) с группой руководства полетами (ГРП) на аэродромах государственной и экспериментальной авиации и КДП с группой диспетчеров на аэродромах гражданской авиации, стартовые командные пункты (СКП). Задача этих пунктов управления состоит в контроле наземной и воздушной обстановки, в выдаче экипажам ВС разрешения на взлет, посадку и команд на ожидание посадки. К органам оперативного управления государственной и экспериментальной авиации относятся также командные и запасные командные пункты (КП, ЗКП) для управления ВС в процессе боевой подготовки и выполнения экспериментальных и специальных задач.

Средствами современных систем управления полетами и воздушным движением в районе аэродрома являются:

а) светосигнальные средства, дублирующие средства радиотехнического оборудования аэродрома: посадочные знаки, сигнальные огни и ракеты;

б) радиотехнические средства навигации и посадки:

— приводные аэродромные радиостанции (ПАР);

— автоматические радиопеленгаторы (АРП);

— радиотехническая система ближней навигации (РСБН);

— азимутально-дальномерный радиомаяк VOR/DME;

— посадочная радиомаячная группа (ПРМГ);

в) радиолокационные средства наблюдения ВП и посадки:

— аэродромные радиолокационные станции (РЛС);

— посадочные радиолокаторы (ПРЛ);

— радиолокационные системы посадки (РСП);

— метеорологические РЛС (МРЛС);

г) средства воздушной радиосвязи УКВ-диапазона;

д) средства наземной связи:

— проводные средства связи;

— радиостанции КВ-диапазона;

е) комплексы средств автоматизации (КСА) командных пунктов (КП), командно-диспетчерских пунктов (КДП), диспетчерских центров (ДЦ) и пунктов (ДП);

ж) специальные средства и системы.

Аэродромные системы управления в своем развитии прошли путь от простых неавтоматизированных систем до автоматизированных систем, обеспечивающих обслуживание значительных по интенсивности потоков прибывающих и убывающих воздушных судов.

Неавтоматизированные системы управления включали в свой состав радиолокационную позицию, КДП с выносными индикаторами РЛС для диспетчеров подхода, круга и посадки, приемно-передающий центр радиотелефонной УКВ связи с экипажами ВС; средства внутренней и внешней связи, радиотехнические средства навигации и посадки. Местоположение ВС в воздушном пространстве определялось по радиолокационной отметке на фоне азимутально-дальномерной сетки на индикаторах РЛС. Автоматическое сопровождение ВС не осуществлялось и полетная информация о них на диспетчерских индикаторах не отображалась. В настоящее время таких систем уже не существует. На смену им в конце 60-х годов прошлого века пришли аэродромные системы управления малой или частичной автоматизации (МАСУВД). Эти системы обслуживали и обслуживают зоны ВП с малой и средней интенсивностью воздушного движения, автоматизируя простые многократно повторяющиеся операции по сбору, обработке и отображению радиолокационной информации. В состав средств наблюдения этих систем входят РЛС, работающие на принципах первичной и вторичной радиолокации, а также автоматические радиопеленгаторы (АРП). С помощью аппаратуры первичной обработки информации (АПОИ) определяются координаты воздушных судов и формируется полетная информация о них. Эти данные с помощью аппаратуры передачи данных (АПД) передаются на аппаратуру отображения воздушной и наземной обстановки КДП. На устройствах отображения рабочих мест диспетчеров кроме координатной и полетной информации может представляться также другая дополнительная, но ограниченная по объему информация, например, списки прилетающих и вылетающих ВС. Аппаратура отображения «Знак», «Символ-Д», «Строка-Б», «Страница», применяемая на КДП, может быть как телевизионного, так и радиолокационного типа.

Характерной особенностью МАСУВД является возможность проведения операций автозахвата, автосопровождения и выдачи отметок целей с формулярами сопровождения. Формуляры с полетной информацией о ВС размещаются вблизи отметок целей и соединены с отметками векторами-указателями. Такими системами стали оснащаться КДП аэропортов в 80-х годах прошлого века. Структурно-функциональные схема МАСУВД в аэродромном воздушном пространстве гражданской авиации приведена на рисунке 2.2.

На радиолокационной позиции размещаются аэродромная первичная РЛС (ПРЛС), вторичная РЛС или вторичный радиолокатор (ВРЛ), автоматический радиопеленгатор (АРП). Местоположение ВС определяется обеими РЛС в полярной системе координат в виде наклонной дальности до ВС и азимута на ВС относительно северного направления истинного меридиана радиолокационной позиции. Дальность обнаружения ВС аэродромными ПРЛС составляет 100…200 км, а ВРЛ до 400 км за счет активной радиолокации. На радиолокационной позиции размещается также аппаратура первичной обработки информации (АПОИ), которая выполняет цифровое преобразование полярных координат ВС в прямоугольную систему координат, формирование кодограмм, содержащих координатную, полетную и пеленговую информацию о ВС, передачу посредством АПД на соответствующие рабочие места диспетчеров.

Рисунок 2.2 — Структурно-функциональная схема МАСУВД
в воздушном пространстве аэродрома гражданской авиации

Радиолокационная позиция, как правило, удалена от КДП на 150…200 м. Поступающая на устройство обработки и отображения первичная координатная информация о ВС подвергается вторичной обработке с целью реализации режима автосопровождения ВС. Количество ВС, находящихся на автосопровождении в зависимости от типа аппаратуры обработки и отображения, находится в пределах 15…20 единиц. В общем случае на экранах рабочих мест диспетчеров подхода, круга и посадки отображается координатная и полетная информация в виде движущихся точек (символов), формуляров к ним, радиолокационных отметок от ВС, а также элементы наземной инфраструктуры.

Каждый диспетчер КДП имеет связь с экипажем ВС посредством «своей» УКВ радиостанции и частоты. Передача управления воздушным судном от диспетчера к диспетчеру (подхода, круга и посадки) происходит на установленных рубежах передачи управления. Средствами наземной связи организована телеграфная (ТЛГ) и телефонная (ТЛФ) связь диспетчерской службы аэродрома с районным центром ЕС ОрВД. На аэродроме развернуты радионавигационные средства, радиолокационные и радиотехнические средства посадки.

Структурно-функциональная схема системы управления полетами ВС в аэродромном ВП государственной авиации приведена на рисунке 2.3. Источником информации о воздушной обстановке в ближней зоне и зоне взлета и посадки аэродрома является радиолокатор кругового обзора (диспетчерский радиолокатор), который совместно с глиссадным и курсовым радиолокаторами составляют подвижную «Радиолокационную систему посадки» (РСП). Контроль воздушной обстановки в зоне аэродрома и за его пределами осуществляется радиолокационной группой в составе ПРЛС кругового обзора и подвижного радиовысотомера (ПРВ) или трехкоординатной РЛС, дающими координаты ВС в виде наклонной дальности, азимута и высоты относительно точки стояния ПРВ. Управление полетами в аэродромном ВП осуществляется с КДП группой руководства полетами (ГРП).

Рисунок 2.3 — Структурно-функциональная схема системы управления полетами ВС государственной авиации в аэродромном ВП

Воздушная обстановка в ближней зоне и в зоне взлета и посадки отображается на выносных индикаторах системы посадки (ВИСП), размещенных на КДП. Контроль ВО в дальней зоне аэродрома реализуется с помощью вынесенных на КДП экранов ПРЛС. Радиотелефонная связь лиц ГРП с экипажами ВС осуществляется с помощью УКВ радиостанций. В воздушном пространстве аэродрома государственной авиации осуществляется не только взлет и посадка ВС, но и боевая подготовка экипажей, которой руководит боевой расчет КП части (подразделения) на основе информации, отображаемой на выносных средствах отображения от ПРЛС, РСП, РСБН. Связь с самолетами в воздухе осуществляется с помощью УКВ радиостанций, а также (в зависимости от рода авиации, типа ВС, вида боевой подготовки) с помощью КВ радиостанции. Для связи КП с вышестоящими органами управления и внетрассовыми (военными) секторами районного и зонального центров ЕС ОрВД используются тропосферные и радиорелейные станции, станции КВ связи и проводные средства связи, объединенные в узел связи КП.

В радиолокационных системах посадки типа РСП-6М2 реализованы известные математические методы автоматического радиолокационного сопровождения (автосопровождения) ВС на траектории посадки в горизонтальной и вертикальной плоскостях […], то есть в плоскости курса и глиссады. Точки траектории движения ВС с формулярами сопровождения отображаются на экранах выносных индикаторов системы посадки (ВИСП), находящихся как на КДП аэродрома, так и на КП авиационной части (подразделения). Определение координат точек траектории ВС, совершающих посадку, производиться в дискретные моменты времени t_к (k = 1,2,3, …) в полярной системе координат в горизонтальной плоскости по значениям наклонной дальности (D_k) до ВС и азимута (ψ_k) и в вертикальной плоскости по значениям величины D_k и угла места (q_k) путем обработки сигналов от курсовой и глиссадной антенн РСП. Пусть направление линии посадки, совпадающей с осью ВПП, составляет угол ψ_зп. Этот угол отсчитывается в горизонтальной плоскости от северного направления магнитного меридиана, проходящего через точку стояния РСП, по часовой стрелке. Глиссада составляет угол q_зп, отсчитываемый в вертикальной плоскости, проходящей через ось ВПП, против часовой стрелки. На рисунке 2.4 представлены полярные и прямоугольные системы координат, в которых определяются координаты точек траектории ВС по радиолокационным данным D_k, ψ_k, q_k. В моменты времени (k = 1,2,3, …) производится обработка радиолокационной информации с целью фильтрации ошибок измерения координат ВС и выдачи на средства отображения оценок координат точек, составляющих траекторию посадки ВС, для сравнения ее с отображаемой заданной траекторией.

Уравнения заданных прямых посадки в горизонтальной и вертикальной плоскостях записываются уравнениями пучка прямых, проходящих через начало координат X = 0, Y = 0 и X^*= 0, Н = 0 и имеющих коэффициенты, равные ctg ψ_зп, tg q_зп: Y = X ctg ψ_зп; Н = X^* tg q_зп.

Рисунок 2.4 — Определение координат точек траектории ВС
в полярной и прямоугольной системах координат

В этих уравнениях X и X^* — непрерывные величины, ось 0X^* совпадает с осью ВПП. Координаты точек траектории ВС в полярной системе координат в дискретные моменты времени определяются значениями измерений параметров D, ψ и q. Полученные для момента k измерения пересчитываются в координаты прямоугольной системы в горизонтальной и вертикальной плоскостях:

X_k = D_k sin ψ_k;

Y_k = D_k cos ψ_k;

H_k = D_k sin q_k.

Измерения, полученные по радиолокационным сигналам курсовой и глиссадной антенн РСП, содержат случайные ошибки в значениях D_k, ψ_k, q_k.

Для фильтрации ошибок разработаны «математические фильтры» — алгоритмы для оценки параметров движения ВС и расчета более точных значений координат точек траектории движения ВС. Одним из таких алгоритмов является рекуррентный алгоритм вычисления оценок прямоугольных координат X_k, Y_k, H_k как функций от предыдущих оценок Х_k-1, Y_k-1, H_k-1 и последних измерений X_k, Y_k, H_k.

Вычисление оценок и значений координаты Х_k и скорости V_xk траектории движения ВС производится по следующим формулам:

= + a(-)); a =;

= + b(-); b =;

= + T; k = 1, 2, 3, 4, …,

где — оценка прогноза координаты X_k на k-ый момент; a — коэффициент веса «невязки» (-) между измерением координаты и ее прогнозом; b —коэффициент веса «невязки» для оценки.

Оценка прогноза вычисляется на основании гипотезы о равномерном движении ВС по траектории посадки в плоскости курса и глиссады. По аналогичным формулам рассчитываются оценки параметров,,, а также оценки,,.

В этих формулах параметр Т — период обзора ВП в секторах курса и глиссады. Моменты очередного обзора и измерения координат ВС вычисляются как

t_k = kТ, k = 1, 2, 3, 4, …;

t₁ = T; t₂ = 2T; t₃ = 3T; t₄ = 4T; …

Оценка скоростей,, осуществляется при получении двух измерений координат,, и,, по формулам

=; =; =,

а далее при k≥3 производится по рекуррентным формулам оценки скоростей,,.

С увеличением количества дискретных измерений (с увеличением числа k) значения «весов» при «невязках» в виде коэффициентов a и β уменьшаются и влияние ошибок на оценку параметров траектории ВС также уменьшается. Оценка в определенный момент k становится равной ее прогнозу. Период зондирования Т ВС курсовой и глиссадной антеннами РСП составляет 1…2 сек, следовательно, число дискретов k растет быстро. Совокупность оценок координат ВС в моменты t_k образуют реальную траекторию посадки ВС, которая в общем случае отличается от заданной траектории посадки в виде отклонений ее «вправо» или «влево» от заданной траектории по курсу, а также отклонений «вверх» или «вниз» относительно глиссады. Задача руководителя системы посадки — дать команду экипажу ВС для устранения этих отклонений. С момента неучета «невязки» и определения оценок,, по величине их прогноза в последующие k-ые моменты времени можно рассчитать величину линейных отклонений ВС от заданных траекторий в горизонтальной и вертикальной плоскостях (Δl и Δh). Эти расстояния определяются как расстояния между отметками от ВС в горизонтальной и вертикальной плоскостях и заданными прямыми в этих плоскостях:

Y = Х ctg ψ_зп и Н = Х^*tg q_зп.

Формулы для вычисления модулей отклонений имеют вид:

Δl = и Δh =.

В рассматриваемом случае

A₁ = ctg ψ_зп; B₁ = -1; C₁ = 0; A₂ = tg q_зп; B₂ = -1; C₂ = 0,

тогда

Δl = и Δh =.

При автоматическом управлении ВС на траектории посадки в САУ ВС должен поступать сигнал пропорциональный величинам отклонений Δl и Δh со знаками плюс или минус в зависимости от вида отклонения от заданной траектории посадки. Знаки можно определить путем сравнения оценок и с аналогичными значениями для заданных прямых посадки.

Дата добавления: 2014-12-27