Автореферат (Разработка и исследование алгоритмов обнаружения и предотвращения опасных сближений в воздухе в рамках перспективной системы ОрВД), страница 3

Главное требование калгоритму: исполнение вырабатываемых рекомендаций должно обеспечить такое движение ВС,7которое приведет к тому, что управляемый самолет не будет нарушать зоны безопасности другихВС, находящихся в его окружении. Таким образом, отличительным свойством алгоритма должнабыть возможность разрешения так называемого множественного конфликта, затрагивающего недва ВС (парный конфликт), а три или более ВС. Постановка задачи обеспечения безопасностипри децентрализованном управлении формулируется следующим образом: необходимосформировать вектор управления своего ВС, при котором соблюдается ненарушение зоныбезопасности, а отклонение от желаемой плановой траектории было бы минимально.Математическая постановка задачи децентрализованного управления отдельным ВС примножественном конфликте формулируется следующим образом: найти оптимальное управлениеu*(t) из условияplu *(t ) = arg min u (t ) − u (t ) d cpai ≥ Rsafe , ∀i ∈ I : tcpai (t ) < τ acq , t ∈ (tb ; te ) ,u (t ){}где u – вектор управления по двум каналам – каналу курса и скорости, u*(t) –сформированный вектор управления ВС, upl(t) – вектор управления для выдерживания плановойтраектории, dcpa,i – величина пролета с i-м ВС, Rsafe – радиус зоны безопасности, tcpa,i – время, донаступления пролета с i-м ВС, τacq – значение времени до наступления пролета, определяющееглубину прогноза, I – множество окружающих ВС в окрестности своего, tb, te – время начала иокончания управления соответственно.Результатом работы алгоритма разрешения конфликта являются две рекомендации (т.е.

векторуправления ВС) по направлению полета (рекомендуемые значения угла курса ψ*) и по скоростиполета (рекомендуемые значения продольной воздушной скорости V*). Далее эти результатыдолжны отображаться на бортовом дисплее пилота CDTI в качестве рекомендаций по управлениюВС для предотвращения опасных ситуаций.Проведен анализ соответствия функции самоэшелонирования техническим требованиям кприложениям наблюдения. Разработанное в диссертационной работе бортовое приложениесоответствует определениям экспертов по системам наблюдения и разрешения конфликтныхситуаций.В стандарте RTCA DO-289 приводится список возможных приложений бортовой функциинаблюдения, среди этих приложений фигурирует приложение обнаружения конфликта CD(Conflict Detection) и бортовая система управления конфликтами ACM.

Система управленияконфликтами включает в себя обнаружение конфликтов, наблюдение за потенциальновозможными конфликтами и выдачу рекомендаций для предотвращения нарушений нормэшелонирования со всеми окружающими ВС. Ранее концепция этой системы обозначалась CD&R(Conflict Detection and Resolution). На трассовой части полета основой для работы этой системыявляются два алгоритма обеспечения эшелонирования ВС: алгоритм обнаружения(прогнозирования) конфликта и алгоритм разрешения конфликта.Таким образом, представленная постановка задачи соответствует техническим требованиям кперспективной системе функции наблюдения.Разработанные алгоритмы соответствуютприложениями обнаружения (CD) и управления конфликтами (ACM).В третьей главе представлен синтез алгоритмов обнаружения и предотвращения опасныхсближений.В диссертационной работе обосновано применение алгоритма обнаружения, основанного наноминальном подходе.

Неопределенность прогнозируемого положения ВС компенсируетсянебольшой глубиной прогноза и учитывается в размерах зоны безопасности. Обнаружениеконфликта производится по текущей траекторной информации и на основе гипотезы опрямолинейном движении ВС. Опасность ситуации со сближением пары ВС проверяется восновном по двум параметрам: величине мгновенного пролета и времени до наступления8конфликта. Величина пролета рассчитывается по наименьшему расстоянию между ВС, котороесравнивается с размерами зоны безопасности. Время до наступления конфликта учитывает запасвремени до нарушения границы зоны безопасности. При достаточно большом запасе времени(больше 5-6 мин) вообще не следует реагировать на тревогу из-за неопределенности в намеренияхдвижения участников ВД.Алгоритм разрешения конфликта предназначен для выработки рекомендаций поманевру ВС в условиях прогнозируемого нарушения условий эшелонирования.Для решения задачи децентрализованного управления при разрешении конфликтовразличные авторы используют ряд методов: полуопределенного программирования, нейронныхсетей, генетические методы, геометрические методы, методы силовых полей и др.

Методы,предназначенные для разрешения конфликтов, можно подразделить на две группы,отличающиеся последовательным или параллельным характером управления разрешениемконфликта.Первая группа – последовательное разрешение отдельных парных (дуэльных) конфликтов.Даже если конфликт носит групповой характер и в него вовлечено более двух ВС, каждоеотдельное ВС (или диспетчер, вырабатывающий команду управления для него) в каждыйтекущий момент организует маневр разрешения конфликта с определенным (выбранным) ВС,например, конфликт с которым у него прогнозируется первым. Возможен вариант, когдаразрешение отдельного конфликта идет кооперативно, т.е. маневр разрешения согласовывается ираспределяется между парой вовлеченных в него ВС.

Вторая группа – с одновременнымразрешением всех составляющих прогнозируемого множественного конфликта (с одновременнымуклонением управляемого ВС от всех других ВС, с которыми у него прогнозируются конфликты).Судя по публикациям, а также по результатам собственного анализа можно сделать вывод обопределенных преимуществах двух методов: геометрического и метода потенциальных полей.Имеющиеся публикации демонстрируют их высокую эффективность при разрешении дажепредельно сложных конфликтов.

По всей видимости, на их базе целесообразно строитьреализуемые (бортовые) алгоритмы. Тем не менее, в существующих источниках отсутствуютдостаточно детально описанные расчетные алгоритмы, реализующие предлагаемые подходы.• Метод геометрической оптимизации (геометрический метод).

При использовании этогометода в качестве условия возникновения конфликтной ситуации принимается случай, когдапрогнозируемое минимальное расстояние между ВС меньше, чем допустимое. Управление поразрешению конфликта сводится к изменению направления вектора относительной скорости отодного ВС таким образом, чтобы новое направление не пересекало защитную зону другого ВС. Вкаждый текущий момент времени при выработке команды разрешения конфликтасоответствующего ВС рассматривается только один, самый близкий по прогнозируемомувремени наступления конфликт.• Модифицированный метод потенциальных полей.

Алгоритм был впервые предложен в1994 году и в дальнейшем рассматривался и исследовался в целом ряде работ. Используемая дляформирования маневра стратегия основывается на понятии потенциала полей.Преимуществом метода потенциальных полей является достаточная простота реализации, атакже возможность реализации децентрализованного управления при разрешении множественныхконфликтных ситуаций. Положительной стороной подхода является то, что благодаря егоособенностям при применении на всех ВС разрешение конфликта, несмотря на децентрализациюпринятия решения, по существу является кооперативным.

Недостатком алгоритма являетсябольшое количество параметров алгоритма, влияющих на эффективность разрешения конфликта,которые необходимо «подбирать» в процессе синтеза.Идея метода потенциальных полей исходит из физической аналогии движения заряженныхчастиц. Используемая для формирования маневра стратегия основывается на понятии потенциалаполей заряженных тел. На движущиеся отрицательные заряды (имитирующие ВС) действуютсилы притяжения к фиксированным (неподвижным) положительным зарядам (имитирующим9очередные промежуточные точки маршрута) в силу взаимного притяжения противоположныхзарядов.

Наоборот, отрицательно заряженные тела отталкиваются друг от друга, т.к. действуетвзаимное отталкивание между подобными зарядами (рис 3).Рисунок 3 Физическая интерпретация метода потенциальных полейПринцип метода потенциальных полей состоит в том, что объект (управляемое ВС) движетсяпод влиянием искусственных потенциалов, генерируемых как текущей «целью полета», так и«препятствиями» (другими ВС и опасными зонами). Цель вырабатывает потенциал, которыйпритягивает объект в ее сторону, в то время как препятствия вырабатывают потенциалы, которыеотталкивают объект от них.

Соответственно, суммарная сила отталкивания объекта от всехпрепятствий - это сумма сил отталкивания от каждого из них. Это позволяет в итоге векторносуммировать силы взаимодействия, независимо от источника возникновения конфликта.Показателем конфликта служит прогнозируемый пролет – минимальное расстояние, на которомразойдутся объекты, если будут продолжать лететь с неизменяемой скоростью и курсом.Отталкивающий потенциал от каждого препятствия определяется в зависимости от пролета ивремени, оставшегося до достижения пролета. Величина силы отталкивания от взаимодействия сдругим ВС либо опасными зонами принимается равной величине соответствующего потенциала.Направление силы определяется по линии, соединяющей управляемое ВС и "конфликтующий"объект, в противоположную сторону от конфликтующего объекта.