ИЗВЕСТИЯ РАН. ТЕОРИЯ И СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ, 2013, № 5, с. 93-113
СЛОЖНЫЕ ТЕХНИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ И ИНФОРМАЦИОННО-УПРАВЛЯЮЩИЕ КОМПЛЕКСЫ
УДК 519.87, 621.311.24
АЛГОРИТМЫ ОБНАРУЖЕНИЯ И ДЕЦЕНТРАЛИЗОВАННОГО РАЗРЕШЕНИЯ ОПАСНЫХ СБЛИЖЕНИЙ САМОЛЕТОВ В ВОЗДУХЕ, ОСНОВАННЫЕ НА МЕТОДЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ПОЛЕЙ*
© 2013 г. О. В. Дегтярев, В. С. Орлов
Москва, ФГУП "ГосНИИАС" Поступила в редакцию 21.01.13 г., после доработки 27.05.13 г.
Одним из ключевых направлений модернизации отечественной аэронавигационной системы является реализация средств поддержки принятия решений как диспетчерами, так и экипажами. Это требует разработки новых алгоритмов, учитывающих повышенную информационную обеспеченность системы и ориентированных на новые принципы и концепции организации воздушного движения. В статье предлагаются и обосновываются алгоритмы обнаружения и предотвращения конфликтных ситуаций между воздушными судами, предназначенные для поддержки экипажа в условиях реализации принципов самоэшелонирования.
БО1: 10.7868/80002338813050065
Введение. Современное состояние мировой авиатранспортной системы характеризуется стабильным увеличением объемов авиаперевозок, интенсивности воздушного движения (ВД), которое уже приводит к достижению системой своих предельных возможностей. Оказывается исчерпанной пропускная способность системы. Дальнейшее увеличение интенсивности неизбежно приводит к снижению безопасности полетов, увеличению задержек воздушных судов (ВС) как на земле, так и в воздухе, увеличению расхода топлива и снижению эффективности выполнения полетов, неприемлемому увеличению экологических издержек. С этой проблемой уже столкнулись в регионах с наиболее интенсивным ВД — в Западной Европе и США. Определенные проблемы ощущаются также и в районах РФ с наибольшей интенсивностью полетов — Московском, Санкт-Петербургском, Ростовском. Не случайно как в Европе, так и в США приняты и выполняются крупнейшие программы модернизации систем организации воздушного движения (ОрВД) — соответственно программы SESAR и NextGen. Принципиальное решение проблем с пропускной способностью системы ОрВД и ее отдельных компонент, а также с обеспечением эффективности выполнения полетов требует внедрения новых методов, схем, алгоритмов управления воздушным движением (УВД).
Технической предпосылкой такой модернизации системы ОрВД является внедрение нового поколения систем связи, навигации и наблюдения (Communication, Navigation, Surveillance — CNS), ключевой элемент которой — спутниковый сегмент. В докладе комитета по будущим аэронавигационным системам ФАНС (FANS) ИКАО [1] говорится о необходимости перехода от технологии аэронавигационных средств наземного базирования к технологии космического базирования. Применение новых средств обеспечивает более точное взаимодействие между наземными системами и пользователями воздушного пространства на этапах, предшествующих полету, в ходе полета и на завершающей его стадии. Такая информационная обеспеченность позволяет в свою очередь усовершенствовать систему ОрВД. В этой системе будет все шире использоваться автоматизация для снижения накладываемых на функции ОрВД ограничений.
Одним из центральных вопросов, связанных с внедрением новых концепций организации ВД, является проблема безопасности полетов и разделения ВС в воздухе. В частности, возникает задача делегирования ответственности за разделение ВС от диспетчера на борт ВС (обеспечения самоэшелонирования). Наиболее важными причинами целесообразности такого решения будут следующие:
необходимость обеспечения полетов в необслуживаемом воздушном пространстве (в малозаселенных и незаселенных районах);
* Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (проект № 11-08-00841-а).
Подсистемы передающего участника ASA
Обработка Подсистема
передаваемых передачи
данных ADS-B
наблюдений
Источникиданных н передающем ВС
Подсистема обработки данных ~ наблюдения TIS-B и распределения
Наземные системы
Подсистемы принимающего участника ASA
Подсистема приема ADS-B, TIS-B \
Сообщения ADS-B, j TIS-B /
V
Обработка Панель
данных визуализа-
наблюдения и ции и
обеспечения управления
эшелонирования CDTI
ВС
Границы системы ASA
Экипаж
Рис. 1. Архитектура системы ASA
реализация идеологии свободных полетов в областях свободных полетов, в районах зональной навигации;
необходимость снижения загрузки диспетчеров УВД в интересах повышения пропускной способности системы.
Информационными предпосылками возможности самоэшелонирования являются внедрение широковещательного автоматического зависимого наблюдения (АЗН-В), а также наличие информационной поддержки со стороны диспетчера по цифровым линиям связи. Для реализации этой задачи предполагается наличие в составе перспективной авионики самолетов гражданской авиации системы ASAS (Aircraft Surveillance Applications System). В соответствии с документами [2, 3] система ASAS должна выполнять следующие задачи: обработка данных наблюдения, обеспечение эшелонирования, отображение информации на кабинном индикаторе.
Проблема реализации на борту функций ASAS имеет ряд аспектов: а) организационный, б) технический, в) информационный, г) алгоритмический. Под первым понимается, прежде всего, решение вопросов организации и последовательности действий участников ВД (диспетчеров управления и экипажей ВС), разделение между участниками обязанностей по обнаружению, принятию и выполнению решений, разделение ответственности. К техническим аспектам относятся: обеспеченность аппаратурой и средствами связи, навигации, обнаружения и слежения, вычислительными средствами, специализированными вычислительными и визуальными средствами поддержки принятия решений. В информационном аспекте рассматриваются вопросы информационного обмена между участниками управления разрешением конфликта: состав и особенности информации, ее точность, частота обмена, адресаты и пр. Под алгоритмическим аспектом понимаются правила, схемы и алгоритмы принятия решений, а также собственно алгоритмы, необходимые для поддержки принятия решений, реализуемые как автоматические или автоматизированные процедуры в вычислительных средствах участников ВД (наземных и бортовых). Далее в статье рассмотрены вопросы алгоритмического обеспечения функции обнаружения и разрешения опасных сближений, реализуемой на борту ВС как задачи самоэшелонирования.
1. Системные аспекты внедрения функции ASAS. Бортовая система обеспечения эшелонирования может способствовать выполнению ряда функций по управлению конфликтными ситуациями и синхронизации движения в рамках эксплуатационной концепции ОрВД.
По определению группы экспертов по системам наблюдения и разрешения конфликтных ситуаций (SCRSP Surveillance and Conflict Resolution Systems Panel) "ASAS представляет собой систему ВС, основанную на использовании функции наблюдения в полете, которая оказывает помощь летному экипажу в обеспечении эшелонирования их воздушного судна по отношению к другим ВС. Под видами применения ASAS предусматривается набор эксплуатационных процедур, предназначенных для диспетчеров УВД и летных экипажей, который использует бортовую систему обеспечения эшелонирования в целях достижения поставленной эксплуатационной цели" [4].
Система ASAS вычисляет и отображает результаты приложений функции наблюдения ASA (Aircraft Surveillance Applications), архитектура которой представлена на рис. 1 [2]. В состав ти-
пичной конфигурации системы ASAS коммерческого транспортного ВС будут входить система обработки данных наблюдения и обеспечения эшелонирования, кабинный индикатор информации о ВД, система оповещения и панель управления. Работа функции обработки информации заключается в выполнении расчетов, данных о прогнозируемых линиях пути ВС, о прогнозируемых опасных сближениях, о возможных и рекомендуемых маневрах ВС для уклонения от опасных сближений, а также других расчетов, которые необходимы для конкретных видов применения. Система обработки информации должна обеспечивать выдачу данных о линиях пути других ВС, отображение информации об этих линиях пути на кабинном индикаторе, а также данных, предупреждающих об опасных сближениях и предлагаемых способах их предупреждения. Система CDTI (Cockpit Display Traffic Information) будет выполнять функцию интерфейса между системой обработки данных и летным экипажем [4].
Таким образом, в настоящей статье рассматриваются алгоритмы, обеспечивающие работу системы обработки данных наблюдения и обеспечения эшелонирования.
2. Некоторые особенности применения алгоритмов. В существующих системах УВД задача предотвращения опасных сближений на трассовой части выполнения полетов в верхнем воздушном пространстве лежит на диспетчере сектора управления районного центра (РЦ). Он имеет на экране полную картину текущего состояния воздушной обстановки в подконтрольном ему воздушном пространстве (ВП). Благодаря наличию радиосвязи и системы наблюдения он обладает информацией о входящих ВС в это ВП (от диспетчеров соседних секторов и РЦ), о текущем положении ВС (от системы наблюдения), а также о намерениях экипажей ВС (непосредственно от них). На основе проведенной оценки и прогноза развития ситуации диспетчер вырабатывает команды управления для каждого ВС, так, чтобы предотвратить возможность опасного сближения. Имея информацию по всем ВС, он может и должен рассматривать ситуацию в целом, т.е. при развитии множественного (группового) конфликта, вырабатывать команды управления отдельными ВС с учетом влияния маневра конфликтующих пар на другие ВС. Такая стратегия предотвращения опасных сближений в воздухе называется централизованной. Прогнозируемое увеличение интенсивности ВД требует увеличения пропускной способности ВП, что приводит к недопустимо высокой загрузке диспетчера. Деление ВП на более мелкие сектора управления также не является выходом из положения, поскольку частая передача управления от одного диспетчера к другому приводит к дополнительным возможностям появления ошибок в управлении, неопределенностей в принятии решения и, как следствие, к повышению вероятности возникновения конфликтной ситуации
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.