cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2022-25-6-8-22caht-2091Research ArticleТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫTRANSPORTATION SYSTEMSАлгоритмическое обеспечение адаптивной системы предотвращения столкновения с рельефом (АСПСР)Algorithmic support of the adaptive system of controlled flight into terrain avoidance (CFITA)АкимовА. Н.AkimovA. N.

Акимов Александр Николаевич, доктор технических наук, профессор, главный специалист

Москва

Alexander N. Akimov, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Specialist, 

Akim521@yandex.ruВолошинВ. А.VoloshinV. A.

Волошин Владимир Андреевич, ведущий программист

Москва

Vladimir A. Voloshin, Programming Supervisor

vva@mail.ruСупрягаА. А.SuprygaA. A.

Супряга Андрей Алексеевич, заместитель начальника отдела

Москва

Andrey A. Supryga, Deputy Head of the Department

bariy29@list.ruОбъединенная авиастроительная корпорацияРоссияUnited Aircraft Building CompanyRussian Federation202210012023256822Copyright © Акимов А.Н., Волошин В.А., Супряга А.А., 20232023Акимов А.Н., Волошин В.А., Супряга А.А.Akimov A.N., Voloshin V.A., Supryga A.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/2091

В работе рассматриваются алгоритмы ограничений траекторных параметров движения самолетов. Рассматриваются три группы алгоритмов. Они различаются по объему бортовых баз данных о земной поверхности, о режимах применения самолетов. Первая группа (полный режим АСПСР) использует максимальную цифровую картографическую информацию (ЦКИ) о рельефе. В алгоритмах АСПСР рельеф аппроксимируется в виде плоскостей в пространстве в некоторой прогнозируемой, упрежденной области в направлении полета. Увод от препятствия осуществляется в пространстве в заданном направлении. Формируется уравнение близлежащей плоскости, вычисляется расстояние, темп приближения и время достижения плоскости. Вычисляется располагаемое ускорение сброса темпа приближения к плоскости ограничения при заданных управлениях на ограничение. Вычисляется потребное время для сброса темпа приближения к препятствию до нуля. Приравняв выражения для времен достижения и потребного, осуществляется переход к расстоянию до плоскости ограничения, на котором необходимо реализовать управления, выделенные на ограничение. Вторая группа (основной режим АСПСР) использует ЦКИ о рельефе в направлении линии пути в упрежденной области. Рельеф аппроксимируется линией в плоскости. В качестве управления используется заданная нормальная перегрузка. Увод от препятствия осуществляется в вертикальной или наклонной плоскостях. Далее используются те же процедуры, что и в первой группе. Третья группа (минимальный режим АСПСР) не использует ЦКИ. В качестве информационных систем о рельефе используются радио- и барометрические высотомеры. Данный режим АСПСР используется только для полетов в равнинной местности. В алгоритме используются те же процедуры, что в первой и второй группах. Приведен аналитический анализ, подтверждающий адаптивные свойства алгоритмического обеспечения, базирующийся на фундаментальном законе равнопеременного движения. Эффективность рассмотренных алгоритмов подтверждена обширным объемом моделирования. Представленные алгоритмы могут быть базовой основой для создания российских аналогов TAWS.

The article considers the restrictions algorithms for the trajectory parameters of aircraft motion. Three groups of algorithms are under consideration. They are distinguished by the volume of airborne database about terrain, modes of aircraft operation. The first group (the full SFITA mode) uses the maximum digital cartographic information (DCI) about the terrain. In the SFITA algorithms, the terrain is approximated in the form of planes in space in some predictable, pre-emptive area in the flight path direction. Terrain following is carried out in space in the assigned direction. The equation of the adjacent plane is solved. The distance, the approach speed, and the time to reach the plane are enumerated. The net acceleration to reduce the approach speed to the plane of restriction is calculated under the specified constraint controls. The required time is calculated to reduce the approach speed towards the obstacle to zero. Having equated the expressions for the time of reaching and the required time, transition towards the distance to the plane of restriction, on which it is imperative to utilize constraint controls. The second group (the major SFITA mode) uses the DCI about the terrain in the direction of track in a pre-emptive area. The terrain is approximated by a line in the plane. The specified normal overload is used as a means of control. Terrain following is conducted in the vertical or slant planes. Subsequently, the same procedures are used as in the first group. The third group (the minimum SFITA mode) does not use DCI. The radio and barometric pressure altimeters are used as information systems about the terrain. The given SFITA mode is selected only for flights in a flat terrain. The algorithm includes the similar procedures as in the first and in the second groups. The analytical analysis, confirming the adaptive properties of algorithmic support based on the fundamental law of uniformly retarded motion, is given. The considered algorithms efficiency is confirmed by a comprehensive amount of simulation. The presented algorithms can become the foundation for developing Russian TAWS analogues.

динамика полетаалгоритмыадаптивностьсистемы ограниченийзакон равнозамедленного движенияflight dynamicsalgorithmsadaptivitysystems of constraintslaw of uniformly retarded motionReferencesБуков В.Н. Адаптивные прогнозирующие системы управления полетом. М.: Наука, 1987. 232 с.Bukov, V.N. (1987). [Adaptive predictive flight control systems]. Moscow: Nauka, 232 p. (in Russian)Буков В.Н. Оптимальные алгоритмы в задачах с ограничениями управляемых координат // Известия АН СССР. Техническая кибернетика. 1982. № 2. С. 210–217.Bukov, V.N. (1982). [Optimal algorithms in tasks with controlled coordinates constraints]. Izvestiya AN SSSR. Tekhnicheskaya kibernetika, no. 2, pp. 210–217. (in Russian)Акимов А.Н., Андреев В.В. Численный метод прямой оптимизации в задачах оптимального управления // Теория и системы управления. 1996. № 3. C. 37–43.Akimov, A.N. & Andreev, V.V. (1996). [Numerical direct optimization method in optimal control tasks]. Teoriya i sistemy upravleniya, no. 3, pp. 37–43. (in Russian)Акимов А.Н., Воробьев В.В. Методика и алгоритмы увода летательного аппарата от пространственной поверхности ограничения // Автоматика и телемеханика. 2001. № 7. С. 18–25.Akimov, A.N. & Vorob`ev, V.V. (2001). A method and algorithms for veering a flying apparatus from the spatial constraint surface. Automation and Remote Control, vol. 62, no. 7, pp. 1042–1048. DOI: 10.1023/ A:1010293424171Акимов А.Н., Воробьев В.В., Лукашов С.В. Ограничение предельных режимов полета: метод, алгоритмы, результаты: учеб. пособие. М.: ВВИА им проф. Н.Е. Жуковского, 2003. 119 с.Akimov, A.N., Vorob`ev, V.V. & Lukashov, S.V. (2003). [Limiting flight modes: method, algorithms, results: Tutorial]. Moscow: VVIA im prof. N.Ye. Zhukovskogo, 119 p. (in Russian)Воробьев В.В., Суполка А.А. Методика автоматического исправления отклонений учебно-боевого самолета при заходе на посадку // Наукоемкие технологии. 2008. Т. 9, № 3. С. 41–45.Vorob`ev, V.V. & Supolka, A.A. (2008). A technique for automatic correction of teaching-combat aircraft deviations at sanding. Science Intensive Technologies, vol. 9, no. 3, pp. 41–45. (in Russian)Воробьев В.В., Беляцкая А.П., Суполка А.А. Методика устранения отклонений воздушного судна при предпосадочном снижении для предотвращения происшествий категории CFIT // Научный Вестник МГТУ ГА. 2020. Т. 23, № 4. С. 33–44. DOI: 10.26467/2079-0619-2020-23-4-33-44Vorob`ev, V.V., Beliatckaia, A.P. & Supolka, A.A. (2020). Methodic aspects of aircraft glide slope correction for prevention of CFIT category accidents during pre-landing descent. Civil Aviation High Technologies, vol. 23, no. 4, pp. 33–44. DOI: 10.26467/2079-0619- 2020-23-4-33-44 (in Russian)Beliatskaia A.P., Vorobev V.V., Eliseev B.P. Research of the methods of collision avoidance of aircraft with the ground in controlled flight during landing // 18th Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky, TSCZh 2021. Moscow, 29–30 May 2021. Moscow: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/TSCZh53346.2021.9628239Beliatskaia, A.P., Vorobev, V.V. & Eliseev, B.P. (2021). Research of the methods of collision avoidance of aircraft with the ground in controlled flight during landing. 18th Technical Scientific Conference on Aviation Dedicated to the Memory of N.E. Zhukovsky, TSCZh 2021. Moscow: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc. Pp. 1–6. DOI: 10.1109/TSCZh53346.2021.9628239Воробьев В.В., Гриценко Н.А., Старикова И.О. Основные принципы обеспечения безопасной эксплуатации беспилотных летательных аппаратов на стадиях жизненного цикла // Инновации в гражданской авиации. 2016. № 4. С. 62–70.Vorob`ev, V.V., Gritsenko, N.A. & Starikova, I.O. (2016). [The basic principles of safe unmanned aircraft operation at the life cycle stages]. Innovations in civil aviation, no. 4, pp. 62–70. (in Russian)Воробьев В.В., Мозоляко Е.В. Проблемы предотвращения столкновения гражданских воздушных судов в управляемом полете // Научный Вестник МГТУ ГА. 2012. № 183. С. 109–113.Vorobyev, V.V. & Mozolyaco, E.V. (2012). Problems preventing conflicts in civil aircraft controlled flight. Nauchnyy Vestnik MGTU GA, no. 183, pp. 109–113. (in Russian)Кравцов М.С. Апробация метода «виртуальных полигонов» / М.С. Кравцов, И.И. Бублик, В.И. Журавель, А.А. Супряга // Актуальные вопросы исследований в авионике: теория, обслуживание, разработки: сборник научных статей III Всероссийской НПК «АВИАТОР». 11–12 февраля 2016 г. В 2-х тт. Т. 2. Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2016. С. 73–76.Kravtsov, M.S., Bublik, I.I., Zhuravel, V.I. & Supriaga, A.A. (2016). [Topical issues of research in avionics: theory, maintenance, development: proceedings of the III AllRussian Research and Production Company "AVIATOR". In 2 vols. Vol. 2]. Voronezh: VUNTS VVS «VVA», pp. 73–76. (in Russian)Апрельский Е.Н. Прогнозирование движения маневренного самолета в задаче повышения противоперегрузочной защиты летчика / Е.Н. Апрельский, В.В. Воробьев, А.С. Куренков, В.Н. Чернуха // Наукоемкие технологии. 2009. Т. 10, № 2. С. 82–88.Aprel`ski, E.N., Vorob`ev, V.V., Kurenkov, A.S. & Chernuha, V.N. (2009). Prediction of manouever aircraft movement it the problem of improoving pilot's overload protection. Science Intensive Technologies, vol. 10, no. 2, pp. 82–88. (in Russian)Воробьев В.В. Безопасность полетов гражданских воздушных судов: учебник / В.В. Воробьев, Л.Г. Большедворская, Б.В. Зубков, И.Н. Мерзликин, О.В. Пахомов, П.М. Поляков, С.Е. Прозоров, А.Л. Рыбалкина, В.Д. Шаров. М.: Издательский дом Академии имени Н.Е. Жуковского, 2021. 440 с.Vorob`ev, V.V., Bolshedvorskaya, L.G., Zubkov, B.V., Merzlikin, I.N., Pakhomov, O.V., Polyakov, P.M., Prozorov, S.E., Rybalkina, A.L. & Sharov, V.D. (2021). [Flight safety of civil aircraft: Textbook]. Moscow: Izdatelskiy dom Akademii imeni N.Ye. Zhukovskogo, 440 p. (in Russian)Wilkinson N. Latest Developments of the TERPROM® Digital terrain system / N. Wilkinson, T. Brookes, A. Price, M. Godfrey // Paper presented at the Joint Navigation Conference, USA: Orlando, Florida, June 2009. 16 p.Wilkinson, N., Brookes, T., Price, A., & Godfrey, M. (2009). Latest developments of the TERPROM® Digital terrain system. Paper presented at the Joint Navigation Conference, Orlando, Florida, USA, 16 p.Fuller J.G., Hook L.R. Understanding general aviation accidents in terms of safety systems // 2020 AIAA/IEEE 39th Digital Avionics Systems Conference (DASC), 2020. Pp. 1–9. DOI: 10.1109/DASC50938.2020.9256778Fuller, J.G. & Hook, L.R. (2020). Understanding general aviation accidents in terms of safety systems. 2020 AIAA/IEEE 39th Digital Avionics Systems Conference (DASC), pp. 1–9. DOI: 10.1109/DASC50938.2020.9256778Causse M. Mirror neuron based alerts for control flight into terrain avoidance / M. Causse, J. Phan, T. Ségonzac, F. Dehais. In book: Advances in Cognitive Engineering and Neuroergonomics, 2012. Chapter 17. 10 p. DOI: 10.1201/b12313Causse, M., Phan, J., Ségonzac, T. & Dehais, F. (2012). Mirror neuron based alerts for control flight into terrain avoidance. In book: Advances in Cognitive Engineering and Neuroergonomics, Chapter 17, 10 p. DOI: 10.1201/b12313Baldwin J., Cassell R., Smith A. GPS-based terrain avoidance systems – a solution for general aviation controlled flight into terrain // Proceedings of the 1995 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, CA: Anaheim, 18–20 January 1995. Pp. 413–417.Baldwin, J., Cassell, R. & Smith, A. (1995). GPS-based terrain avoidance systems – a solution for general aviation controlled flight into terrain. Proceedings of the 1995 National Technical Meeting of The Institute of Navigation, Anaheim, CA, pp. 413–417.Августов Л.И. Навигация летательных аппаратов в околоземном пространстве / Л.И. Августов, А.В. Бабиченко, М.И. Орехов, С.Я. Сухоруков, В.К. Шкред. М.: Научтехлитиздат, 2015. 589 c.Augustov, L.I., Babichenko, A.V., Orekhov, M.I., Sukhorukov, S.Ya. & Shkred, V.K. (2015). [Navigation of aircraft in nearEarth space]. Moscow: Nauchtekhlitizdat, 589 p. (in Russian)Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. М.: Астрель, 2006. 991с.Vygodskiy, M.Ya. (2006). [Handbook of higher mathematics]. Moscow: Astrel, 991 p. (in Russian)Гантмахер Ф.Р. Теория матриц. 5-е изд. М.: Физматлит, 2010. 560 с.Gantmakher, F.R. (2010). [Matrix theory]. 5th ed., Moscow: Fizmatlit, 560 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.