Комплексная система контроля наземного движения на аэродроме

Введение

Контроль и наблюдение за объектами (воздушными судами (ВС), транспортными спецсредствами (ТСС)), находящимися в зоне маневрирования аэродрома, осуществляется системами наблюдения, входящими в состав системы наблюдения и контроля аэродромного движения (СНКАД). В соответствии с классификацией ИКАО существуют четыре уровня функционала СНКАД (международный термин – A-SMGCS – Advanced Surface Movement Guidance and Control System).

Функционал СНКАД уровня 1 включает функции наблюдения за воздушной и наземной обстановкой, предоставляемые диспетчеру. СНКАД осуществляют траекторную обработку информации, поступающей от измерителей координат и параметров движения объектов в зоне маневрирования аэродрома.

В состав отображаемой информации о зоне маневрирования аэродрома входят: стоянки ВС; границы и осевые линии взлетно-посадочной полосы (ВПП); границы и осевые линии магистральных рулежных дорожек (МРД); границы перронов; осевые линии рулежных дорожек (РД); зоны ограничений; координатные отметки ВС и ТСС и др.

Реализация функций СНКАД уровня 1 не требует участия средств автоматизации и распределена между средствами обработки данных наблюдения и автоматизированными рабочими местами (АРМ) диспетчеров.

Функционал СНКАД уровня 2 включает функции СНКАД уровня 1, а также отображение конфликтов на ВПП диспетчеру.

Функционал СНКАД уровня 3 включает функции СНКАД уровня 2, а также выдачу информации наблюдения всем ВС и ТСС в зоне маневрирования аэродрома; выдачу информации о конфликтах оборудованным ВС и ТСС; функцию маршрутизации, доступную диспетчеру.

Функционал СНКАД уровня 3 должен позволять каждому ВС и ТСС в зоне маневрирования аэродрома иметь информацию о местоположении всех других ВС и ТСС. Следует отметить, что СНКАД уровня 3 предполагает, что все ВС и ТСС, двигающиеся в зоне маневрирования аэродрома, оборудованы ответчиками системы автоматического зависимого наблюдения АЗН-В.

Функционал СНКАД уровня 4 включает функции СНКАД уровня 3, а также предоставление информации о маршрутах руления оборудованным ВС и ТСС, предоставление информации о конфликтах всем ВС и ТС, расчет вариантов автоматического разрешения конфликтных ситуаций и их предоставление диспетчеру.

Эксплуатируемая в настоящее время СНКАД «Вега» соответствует СНКАД уровня 2 и обрабатывает информацию от радиолокатора обзора летного поля (РЛ ОЛП), аэродромного обзорного радиолокатора (АОРЛ) и  аэродромной многопозиционной системы наблюдения (АМПСН) и системы АЗН-В. Необходимо отметить, что информация от АОРЛ имеет низкий приоритет. Современная автоматизированная система управления воздушным движением (АС УВД) «Галактика», эксплуатируемая в Московском центре автоматизированного управления воздушным движением в качестве резервной, содержит функции СНКАД уровня 4.

Реализация СНКАД уровней 2–4 предполагает высокую точность определения местоположения ВС и ТСС, основывающуюся на требованиях ИКАО и рекомендациях агентства «Евроконтроль». Однако реальная точность определения координат ВС и ТСС напрямую зависит от точности РЛ ОЛП и АМПСН.

Анализ уровней реализации СНКАД позволяет сделать вывод, что для определения координат объекта в зоне маневрирования аэродрома в настоящее время используются РЛ ОЛП, АМСН и АЗН-В. Все эти системы являются радиотехническими и несмотря на то, что они работают в различных частотных диапазонах, обладают одним существенным недостатком – зависимостью от уровня радиопомех. Компенсировать этот недостаток возможно путем внедрения систем наблюдения, принцип функционирования которых основан на других физических принципах. К таким системам относятся виброакустические системы контроля (ВАСК) движения на аэродроме. Отечественной разработкой такой системы, успешно прошедшей испытания, является виброакустическая система «Топот» разработки АО «Концерн “МАНС”». ВАСК «Топот» представляет собой набор разнесенных в пространстве и расположенных по периметру площади маневрирования аэродрома чувствительных датчиков акустических волн, работающих по принципу когерентной рефлектометрии [1–3].

Основным достоинством ВАСК является независимое круглосуточное и всепогодное автоматическое обнаружение движущихся ВС, ТСС и других объектов в пределах зоны маневрирования аэродрома. ВАСК является абсолютно помехоустойчивой системой во всем радиодиапазоне. Однако ВАСК обладает и рядом недостатков, а именно: меньшей по сравнению с радиотехническими системами наблюдения точностью, неоднозначностью измерений и, главное, невозможностью наблюдения неподвижных объектов и их контроля. Очевидно, что объединение систем наблюдения, работающих на различных физических принципах, позволит существенно снизить влияние их недостатков и повысить безопасность движения на аэродроме.

Таким образом, в состав комплексной системы наземного наблюдения и контроля аэродромного движения (КС НКАД) должны входить существующие системы наблюдения – РЛ ОЛП, АМПСН, АЗН-В и перспективная система ВАСК. На рис. 1 приведена обобщенная структура КС НКАД. Основой КС НКАД являются алгоритмы комплексной обработки информации (КОИ) о координатах объектов в зоне маневрирования аэродрома.

Основой КС являются алгоритмы комплексной обработки информации (КОИ) о координатах объектов в зоне маневрирования аэродрома. Синтез алгоритмов КОИ будем осуществлять с использованием марковской теории оценивания случайных процессов (МТОСП) [4, 5].

Математические модели выходных сигналов аэродромных систем наблюдения. Постановка задачи синтеза алгоритмов комплексной обработки информации о наземном движении на аэродроме

Потребность в математических моделях сигналов на выходе аэродромных систем наблюдения неизбежно возникает при разработке КС НКАД, основанной на методах МТОСП. Чем адекватнее модели реальным процессам, протекающим в системах наблюдения (РЛ ОЛП, А-МПСН, АЗН-В и ВАСК), тем эффективнее будут работать комплексные алгоритмы комплексной обработки информации (КОИ), в основу которых положены эти модели.

Измеренное значение параметра движения объекта на выходе измерителя достаточно часто представляется в виде [6]

(1)

где  – измеренное значение параметра,  – истинное значение параметра,  – ошибка измерителя.

Ошибка измерителя в общем случае имеет постоянную (или медленно меняющуюся) и флуктуационную составляющую.

Постоянная составляющая вызвана, например, систематической составляющей методической погрешности измерителя, а также другими факторами. Особенностью постоянной (медленно меняющейся) составляющей ошибки измерителя является ее медленное, как правило монотонное, изменение с течением времени.

Флуктуационная составляющая обусловлена действием помех, нестабильностями в работе измерителя, траекторными флуктуациями объекта наблюдения и т. д. Флуктуационная составляющая ошибки измерения параметра является непредсказуемой и по знаку, и по величине. Как показывают исследования [7–9], применительно к рассматриваемой задаче флуктуационная составляющая с достаточной степенью адекватности может быть описана стационарным гауссовским случайным процессом с нулевым математическим ожиданием и корреляционной функцией вида

(2)

где  – дисперсия флуктуационной составляющей ошибки измерителя;  – ширина спектра флуктуаций.

В соответствии с (2) флуктуационная составляющая ошибки измерителя может быть описана стохастическим дифференциальным уравнением первого порядка

 (3)

где  – формирующий белый гауссовский шум.

Так как практическая реализация алгоритмов обработки информации в современных СНКАД производится в цифровой форме, сигналы, а следовательно, и ошибки на выходе измерителя должны быть представлены в виде рекуррентных соотношений. Выражения (1) и (3) здесь могут быть записаны в виде

где   случайная гауссовская величина с нулевым математическим ожиданием и единичной дисперсией;  – величина шага дискретизации.

Таким образом, сигнал на выходе измерителя СНКАД может быть полностью описан выражениями (4) и (5).

Как показано на рис. 1, в состав измерителей КС НКАД входят системы наблюдения РЛ ОЛП, А-МПСН, АЗН-В и ВАСК. Эти системы определяют координаты объектов, находящихся в зоне маневрирования аэродрома [10–12]. Основываясь на (4) и (5), запишем выражения для сигналов на выходах систем наблюдения:

где индекс i = 1…4 определяет принадлежность параметра к конкретной системе наблюдения (РЛ ОЛП, А-МПСН, АЗН-В и ВАСК соответственно).

Выходные сигналы систем наблюдения определяются выражениями (6)–(9). Для формирования моделей, описывающих изменение во времени истинных значений координат объекта, необходимо задаться гипотезой о характере движения объекта по территории маневрирования аэродрома. Объект может двигаться прямолинейно (равномерно, с ускорением или торможением) или движение может происходить по криволинейной траектории. Модели движения объекта будут различны. При построении КС НКАД в этом случае необходимо учитывать движение объекта в конкретных зонах аэродрома, повороты, развороты и т. д. Примером такого подхода к построению системы комплексной обработки информации являются система обработки данных наблюдения АС УВД «Галактика», где для каждой модели движения объекта (прямолинейное равномерное, прямолинейное ускоренное, криволинейное) сформирован алгоритм оценивания координат объекта. Однако такой подход вряд ли можно считать продуктивным. Кроме этого, как показано в [13], при движении объектов наблюдаются нарушения скоростного режима, нарушения схем движения, несоблюдение дистанции и т. д. Все это говорит о том, что объективно существует априорная неопределенность характера движения объектов в зоне маневрирования аэродрома.

В [5] рассматривается способ преодоления априорной неопределенности характера движения объекта. По аналогии с [5] в моделях измерений (6), (8) выразим истинные значения координат через измеренные значения:

Тогда справедливы следующие уравнения для измерений на выходе двух любых систем наблюдения:

Перегруппировав элементы в уравнениях (12) и (13) и выполнив замену     получаем

Выражения (14) и (15) представляют собой разность между измерениями на выходе систем наблюдения, которые для определенности назовем разностью измерений (РИ). В (14) и (15) j = 1, ..., L, где L – максимально возможное число РИ. Для рассматриваемых систем наблюдения L = 6. Подставляя (7) и (8) в (14) и (15), получаем выражения для РИ:

Особенностью функционального и конструктивного построения систем наблюдения является взаимная независимость каналов измерения координат объекта. Следовательно, в дальнейшем целесообразно синтез алгоритмов КОИ выполнять для одного из каналов измерения координат, например координаты x. Для канала y алгоритм будет идентичным. Для облегчения записи в дальнейшем индекс «х» опускается.

Анализируя выражения (6)–(9) и (16), (17), применительно к задаче синтеза алгоритмов КОИ на основе марковской теории оценивания случайных процессов (МТОСП) определим вектор состояния, компоненты которого подлежат оцениванию в КС НКАД:

(18)

Динамика вектора состояния описывается уравнением

(19)

где Φ_XX – матрица состояния, ненулевые компоненты которой имеют вид

G_X – матрица возмущений, ненулевые компоненты которой имеют вид

 – вектор возмущений, компоненты которого определяются выражениями (7).

Вектор наблюдения КС НКАД определяется выражениями (16).

(20)

Динамика вектора наблюдения описывается уравнением

(21)

где  – матрица наблюдения, ненулевые компоненты которой имеют вид

G_Y – матрица ошибок измерений, ненулевые компоненты которой имеют вид

W_k – вектор погрешностей измерений.

Задача синтеза оптимального алгоритма комплексной обработки информации о движении объектов в зоне маневрирования аэродрома формулируется следующим образом [14–17]: требуется найти оптимальную оценку вектора состояния   удовлетворяющую критерию минимума дисперсии ошибки оценивания  Ошибку оценивания определим как

Тогда критерий синтеза определяется выражением

 (22)

Алгоритм комплексной обработки информации  о наземном движении на аэродроме

В соответствии с методикой, изложенной в [5], на основании (18)–(22) получен алгоритм КОИ:

В представленных выражениях 

Выражение для  определяет структурную схему комплексной системы НКАД, которая представлена на рис. 2.

На структурной схеме введены следующие обозначения: БФРИ – блок формирования разности измерений; БФНИ – блок формирования невязок измерений; БФОК – блок формирования оценок координат. С использованием оценки вектора состояния  компонентами которого являются ошибки измерений систем наблюдения (18), с помощью выражений (10), (11) в БФОК формируется оценка координат объекта в зоне маневрирования аэродрома.

Процедура обнаружения аномального режима работы КС НКАД

Недостатком полученных алгоритмов КОИ является то, что для их нормальной работы необходимо штатное функционирование систем наблюдения. Однако в реальных условиях довольно часто возникают ситуации, когда системы наблюдения работают в аномальном режиме по причине отказов, сбоев и подобного, вызванных, например, ухудшением помеховой обстановки.

Факт отказа системы наблюдения определяется ее встроенными средствами контроля, после чего выходные данные системы не используются в КС НКАД. В случае нарушений функционирования системы наблюдения, не приводящих к потере работоспособности, система контроля не обнаруживает факт отказа и выходные данные системы наблюдения используются в КС НКАД. Это приводит к увеличению, вероятно значительному, ошибки определения координат объекта. Возможны случаи полного подавления помехами системы наблюдения и, следовательно,  невозможность использования выходных данных от нее в КС НКАД. Поэтому актуальной задачей является обнаружение аномального режима работы системы наблюдения, входящей в КС НКАД. Для этого КС НКАД следует дополнить процедурой обнаружения аномального режима функционирования систем.

Существует несколько возможных подходов к разработке процедуры обнаружения нарушений функционирования системы наблюдения [18–21]. В [20] представлены подходы, связанные с введением в рассмотрение случайного неизвестного вектора , характеризующего структуру и параметры системы в каждый момент времени. Уравнение состояния (18) и наблюдения (19) оказываются в этом случае зависимыми от изменяющегося в случайные моменты времени вектора .

Однако введение в рассмотрение вектора  связано с необходимостью описания его динамики во времени, то есть с разработкой математических моделей, описывающих изменение состояния системы наблюдения.

Наиболее простой и вместе с тем продуктивный подход связан с оценкой свойств квадратичной формы невязок измерений. Как показано в [5, 8], квадратичная форма невязок измерений может быть представлена выражением

 (26)

где   – вектор невязок измерений, распределенный по закону   c m степенями свободы, при условии, что все системы наблюдения работают в штатном режиме. При этом число m равно размерности вектора наблюдения.

Выражение (27) определяет правило обнаружения нарушений функционирования системы наблюдения, входящей в КС НКАД.

В БФОК на основе измерений оценка значений координат объектов будет определяться выражениями

Индексы «х» и «y» у параметра  в (28) и (29) отражают факт принадлежности к каналу измерения соответствующей координаты.

Структурная схема КС НКАД с учетом процедуры определения аномального режима работы систем наблюдения приведена на рис. 3.

Из рис. 3 видно, что после обнаружения аномального режима работа КС НКАД, а именно одной из систем наблюдения, в БФОК формируется команда на реконфигурацию измерительной части КС НКАД, при этом выходные данные системы наблюдения, подверженной воздействию помех или отказу, исключаются из комплексной обработки.

Заключение

Полученные алгоритмы КОИ, дополненные процедурой обнаружения аномального режима функционирования аэродромных систем наблюдения, дают возможность формирования оценок координат объектов в зоне маневрирования аэродрома и реконфигурации измерительной части КС НКАД.

Для определения полученных алгоритмов целесообразно на основе статистических данных погрешностей измерений уточнить параметры математических моделей выходных сигналов систем наблюдения и оценить потенциальные и фактически достижимые характеристики качества алгоритмов КОИ методом математического моделирования.