Автореферат (Разработка и исследование алгоритмов обнаружения и предотвращения опасных сближений в воздухе в рамках перспективной системы ОрВД)

На правах рукописиОрлов Владимир СтаниславовичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ ИПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОПАСНЫХ СБЛИЖЕНИЙ В ВОЗДУХЕ В РАМКАХПЕРСПЕКТИВНОЙ СИСТЕМЫ ОрВДСпециальность 05.13.01Системный анализ, управление и обработка информации (авиационная и ракетно-космическаятехника)АВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква – 2015годРабота выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии Государственномнаучно-исследовательском институте авиационных систем (ФГУП «ГосНИИАС»)Научный руководитель:доктор технических наук,профессор, академик РАНФедосов Евгений АлександровичОфициальные оппоненты:Рудельсон Лев Ефимович,доктор технических наук, профессор,ФГБОУ ВПО «Московский государственный техническийуниверситет гражданской авиации» (МГТУ ГА)Исаев Вячеслав Константинович,доктор физико-математических наук, профессор,«Центральный аэрогидродинамический институт именипрофессора Н.Е.

Жуковского» (ФГУП «ЦАГИ»), главныйнаучный сотрудникВедущая организация:Федеральноегосударственноеунитарноепредприятие«Государственная корпорация по организации воздушногодвижения в Российской Федерации»Защита диссертации состоится “_11_” _июня___ 2015 года в 14:00 часов на заседаниидиссертационного совета Д 212.125.12 при ФГБОУ ВПО «Московский авиационный институт(национальный исследовательский университет)» по адресу: 125993, г. Москва, A-80, ГСП-3,Волоколамское ш., д.

4, Учёный совет МАИ.С диссертацией можно ознакомиться в библиотекеhttp://mai.ru/events/defence/index.php?ELEMENT_ID=56332инасайтеМАИпоссылке:Автореферат разослан “____” ___________ 2015 г.Учёный секретарьдиссертационного совета Д 212.125.12,кандидат технических наук, доцентВ.В. Дарнопых2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫДиссертационная работа посвящена разработке и исследованию алгоритмов обнаружения ипредотвращения опасных сближений в воздухе в рамках перспективной системы организациивоздушного движения. Определение бортовой системы приложений функции наблюдения ASAS(Aircraft Surveillance Applications System) дано на одиннадцатой аэронавигационной конференцииИКАО.

Агентством RTCA выпущены стандарты DO-289, определяющий минимальныетребования для авиационных приложения наблюдения ASA (Aircraft Surveillance Applications) иDO-317 для приложений функции наблюдения ASAS. В настоящее время проводитсяпрототипирование бортовой процедуры управления конфликтами ACM (Airborne ConflictManagement).Актуальность работы. Необходимость разработки алгоритмов обнаружения ипредотвращения опасных сближений в воздухе вызвана переходом к новым принципаморганизации воздушного движения (ОрВД).

Для поддержания высокого уровня социальныхкритериев, система ОрВД должна обеспечивать надлежащие показатели безопасности полетов,технической надежности парка воздушных судов (ВС), авиационной безопасности, охраны иконтроля состояния воздушной среды. В рамках перспективной системы организации воздушногодвижения, ответственность за обеспечение бесконфликтных траекторий делегируется отдиспетчера экипажу ВС.

Этой задачу решают в Европе в рамках программы SESAR и в США врамках программы NextGen. Согласно рабочим документам двенадцатой аэронавигационнойконференции ИКАО переход к кооперативному эшелонированию в полете, совместнообеспечиваемому службами УВД (Управления Воздушным Движением) и воздушными судами,запланирован на 2023 год, а на самоэшелонирование после 2028 года. Математически иалгоритмически задача самоэшелонирования начала серьезно прорабатываться зарубежнымиисследователями в 1990-х годах, концепция этой системы обозначалась CD&R (Conflict Detectionand Resolution). Предложен целый ряд схем, методов и алгоритмов обнаружения и разрешенияконфликтов, проведены исследования эффективности их работы при разрешении сложныхконфликтных ситуаций.

В числе наиболее исследованных методов следует отметитьгеометрический метод (Bilimoria K.D.), (T. Miquel, F. Mora-Camino, and K. Achaibou), методпотенциальных (силовых) полей (Eby, Martin S.),( Zeghal K.,),( Wallace E. Kelly I), методполуопределенного программирования (Frazzoli E., Mao Z.H., Oh J.H., Feron E).

Они различаютсяматематическим аппаратом, принятыми критериями, объемом используемой при решенииинформации.Цель работы. Основной целью диссертационной работы является разработка и исследованиеалгоритмов обнаружения и предотвращения опасных сближений в воздухе в рамкахперспективной системы организации воздушного движения (ОрВД) с учетом требований побезопасности и эффективности выполнения полетов.Задача обеспечения безопасности при децентрализованном управлении, когда каждое ВСсамостоятельно обеспечивает эшелонирование с окружающими ВС, формулируется следующимобразом: необходимо сформировать такой вектор управления ВС, при управлении которымсоблюдаются нормы эшелонирования перспективной системы ОрВД, а отклонение от плановойтраектории было бы минимально.В диссертации поставлены и решены следующие основные задачи:1) разработка методов обнаружения и предотвращения опасных сближений;2) разработка алгоритмического и программного обеспечения для применения алгоритмовобнаружения и предотвращения опасных сближений, в том числе постановка требований дляреализации рекомендаций в кабинной индикации перспективного ВС;3) синтез алгоритмов обнаружения и предотвращения опасных сближений, реализацияалгоритмов в «бортовом исполнении» на крейте интегрированной модульной авионики (ИМА).34) разработка модели динамической воздушной обстановки, обеспечивающей принципыперспективной организации системы ОрВД для тестирования и отработки методов и алгоритмовобнаружения и предотвращения опасных сближений в воздухе.

При этом проведены исследованияпо оценке эффективности предложенных алгоритмов, как на тестовых примерах, так и в составеполунатурного комплекса моделирования ИМА.Объект и предмет исследования. Объектом исследования является перспективная системаорганизации воздушного движения. Предметом исследования являются методы обнаружения ипредотвращения опасных сближений в воздухе в рамках перспективной децентрализованнойсхемы организации воздушного движения.Методы исследования.

В работе использованы методы системного анализа, методыматематического моделирования, имитационного моделирования, теории вероятностей,математической статистики.Научная новизна. В диссертационной работе получены следующие новые результаты:- разработан ряд методов самолетовождения, отличающихся тем, что обеспечивают точноеисполнение плана, учет случайных факторов, учет мер регулирования УВД, полет по свободныммаршрутам;- разработана модель воздушной обстановки, отличающаяся тем, что предоставляет данныедля сопоставительного анализа эффективности движения потоков ВС по различным методамуправления;- разработаны алгоритмы обнаружения и предотвращения опасных сближений в воздухе,отличающиеся тем, что обеспечивают соблюдение норм эшелонирования не только сокружающими ВС, но и с зарытыми областями воздушного пространства (ВП);- проведено полунатурное моделирование полета ВС, оборудованного бортовой системойуправления конфликтами в рамках будущей системы организации воздушного движения.Практическая значимость.

Практическая ценность работы заключается в том,чторазработанные алгоритмы обнаружения и предотвращения опасных сближений востребованы вгражданской авиации при переходе к перспективным принципам организации воздушногодвижения. Создан комплексный исследовательский стенд системы управления воздушнымдвижением для исследования перспективных методов и алгоритмов. Разработанное программноеобеспечение реализовано в бортовом исполнении на крейте платформы ИМА на стендевиртуального прототипирования.Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждаетсякорректным использованием аналитических и имитационных моделей и современных методовоптимизации, соответствием точности приближенных математических моделей точностиисходных данных и результатов расчетов; сопоставлением результатов расчетов, полученныханалитически и с помощью имитационной модели, значительным объемом выполненных в работевычислений, результаты которых являются непротиворечивыми и укладываются в рамкисуществующих представлений теории оптимизации.Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались на 12конференциях, обсуждались на научных семинарах в Государственном научно-исследовательскоминституте авиационных систем (ГосНИИАС). Исследования были поддержаны ФедеральнымАгентством по промышленности (Шифр «Конфликт») и РФФИ (проект 11-08-00841-а).Результаты диссертационной работы были представлены на международных аэрокосмическихсалонах МАКС-2011 и МАКС-2013.Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в статьях [1-3] вжурналах, входящих в Перечень ВАК и в трудах научных конференций [4-15].

Всего по темедиссертации опубликовано 14 работ.4Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех главосновной части, заключения, списка использованных источников. Общий объем работысоставляет 119 страниц машинописного текста, 37 рисунков, 6 таблиц.Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.13.01: проведенаразработка, обоснование и тестирование методов и алгоритмов обнаружения и предотвращенияопасных сближений в воздухе с применением современных компьютерных технологий.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении приводится обзор современного состояния мировой авиатранспортной системы,выявляются проблемы системы связанные с ростом интенсивности воздушного движения.Обоснована актуальность предложенных методов, сформулированы цели и задачидиссертационной работы, представлены положения, выносимые на защиту, описана структурадиссертационной работы, приведены постановки решаемых задач.Исследуемая в диссертационной работе децентрализованная концепция организациивоздушного движения позволяет перенести задачи обнаружения и предотвращения опасныхсближений с земли на борт, снизив тем самым нагрузку на диспетчеров, сохраняя уровеньбезопасности с повышением пропускной способности системы.В работе предложено применение модифицированного метода потенциальных полей, какоснова бортовой функции управления конфликтами как с воздушными судами, так и с опаснымиметеообразованиями.В первой главе рассматриваются технические и организационные предпосылки новогопоколения систем связи, навигации и наблюдения (Communication, Navigation, Surveillance – CNS),являющиеся основой модернизации системы ОрВД.