Preview

Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей»

Расширенный поиск

Математическая модель ошибок радиотехнических корабельных систем для исследования проблем автоматической посадки

Полный текст:

Аннотация

Приведены результаты статистической обработки зарегистрированных на борту летательных аппаратов отклонений от заданной траектории при выполнении заходов на посадку на авианесущий корабль при использовании радиолокационной системы сантиметрового диапазона радиоволн и микроволновой радиомаячной системы посадки. Проведен анализ и выполнено осреднение результатов статистической обработки. Построена математическая модель случайной (шумовой) составляющей ошибки измерений радиотехнических систем посадки, используемых на авианесущих кораблях. Предложена математическая модель, основанная на реальных данных натурных испытаний, которая позволяет проводить исследования широкого спектра по определению точностных характеристик выполнения захода на посадку на корабли различного типа, в том числе при наличии качки корабля и пространственных эволюций летательного аппарата. Приведены результаты математического моделирования.

Для цитирования:


Амелин К.Б., Саута О.И., Шатраков Ю.Г., Бабуров С.В. Математическая модель ошибок радиотехнических корабельных систем для исследования проблем автоматической посадки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(4):98-104.

For citation:


Amelin K.B., Sauta O.I., Shatrakov Yu.G., Baburov S.V. Mathematical model of radio engineering ship system errors in the autolanding problems studies. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(4):98-104. (In Russ.)

Введение

Эффективность морской авиации в значитель­ной степени зависит от характеристик ин­струментальных систем корабельной посадки. В настоящее время для обеспечения посадки летательных аппаратов (ЛА) на авианесущие корабли в России и за рубежом широко при­меняются посадочные радиолокационные комплексы (ПРЛК) и системы микроволновой посадки типа MLS [1, 2]. В отличие от распро­страненных наземных систем посадки метро­вого диапазона радиоволн типа ILS и систем дециметрового диапазона типа ПРМГ они об­ладают меньшими габаритами и более высокой точностью, что обеспечивает эффективность их использования для посадки ЛА на корабли.

Для разработчиков бортовых навигаци­онно-посадочных комплексов ЛА морской ави­ации большой интерес представляет харак­тер поведения ошибок сигналов наведения на разных участках глиссады захода на посадку в реальных условиях эксплуатации. Использо­вание при разработке алгоритмов комплексной обработки информации для бортовых вычис­лительных устройств «паспортных» тактико­технических характеристик систем может при­вести к дополнительным ошибкам [3] и, как следствие, к снижению эффективности при­менения морской авиации.

Целями настоящей работы являются оцен­ка и анализ статистических характеристик сиг­налов наведения корабельных посадочных систем путем обработки зарегистрированных на борту ЛА цифровых значений этих сигна­лов для построения математических моделей и программных комплексов, предназначенных для проведения исследований характеристик систем автоматической посадки.

Исходные данные

Для оценки статистических характеристик сигналов наведения при посадке ЛА на авиа­несущий корабль в настоящей статье были ис­пользованы результаты натурных испытаний, полученные при отработке заходов на посадку двух ЛА, оснащенных бортовым оборудова­нием ПРЛК и MLS. Для исследования харак­теристик ошибок ПРЛК и MLS было отобрано 10 инструментальных заходов на посадку с удаления 8 км до торца посадочной палубы корабля. Заходы на посадку выполнялись по стандартной для корабельной посадки глис­саде с углом наклона 4° при использовании пилотами директорного режима управления.

Заходы на посадку на корабль выполня­лись в дневное время в простых метеоусло­виях при движении корабля со скоростью до 22 узлов и путевой скорости ЛА около 250 км/ч.

Полученные на борту ЛА значения сиг­налов отклонения от глиссады посадки ис­пользовались в системах пилотажно-навига­ционного комплекса для выдачи информации в систему автоматического управления (САУ) и регистрировались в специализированном бортовом накопителе с частотой 3 Гц.

Методика обработки результатов испытаний

При проведении испытаний отсутствовали эталонные средства и внешние траекторные измерения от более точных систем, поэтому статистическая обработка была направлена на оценивание высокочастотных составляю­щих погрешностей сигналов наведения, т. е. на оценивание шумовой составляющей сле­дования по траектории PFN [2]. При этом с учетом достаточно большой инерционности ЛА для исключения систематических оши­бок измерений и реального смещения ЛА от заданной траектории было принято решение о проведении аппроксимации зарегистриро­ванных измерений полиномом 3-го порядка на относительно небольших интервалах вре­мени (дальностей). Такой метод традиционно используется в технологиях обработки лет­ных испытаний [4]. При этом спектральные характеристики погрешностей систем посад­ки исследованы не были, так как регистрация данных проводилась с частотой 3 Гц при ре­альном темпе обновления информации от по­садочных систем 13...20 Гц.

Статистическая обработка зарегистри­рованных данных от систем ПРЛК и MLS осу­ществлялась с помощью программ MATLAB и Excel. При этом массивы измерений, зарегистрированные в течение каждого захода на посадку, разбивались на участки, которые ап­проксимировались полиномом 3-го порядка с коэффициентами, рассчитанными по методу наименьших квадратов. Аппроксимирующий полином был принят за математическое ожи­дание, между которым и исходными данными формировались разности. Затем на интервалах дальностей протяженностью 0,5 км осущест­влялось вычисление средней квадратической ошибки (СКО) измерений. Полученные зна­чения СКО усреднялись для всех заходов на посадку с использованием той или иной си­стемы (ПРЛК или MLS) и строились графиче­ские зависимости величины соответствующей погрешности высокочастотной составляющей сигнала наведения от дальности ЛА до расчет­ной точки посадки (РТП).

В дальнейшем, для полученных оценок погрешностей будем использовать обозначения:

  • - погрешность ПРЛК по каналу курса;
  • - погрешность ПРЛК по каналу глис­сады;
  • - погрешность MLS по каналу курса;
  • - погрешность MLS по каналу глис­сады.

Приведенные ниже оценки погрешно­стей Si представляют собой удвоенное значе­ние рассчитанных СКО, что практически со­ответствует вероятности 0,95.

Результаты статистической обработки

На рис. 1 представлены погрешности Si сиг­налов наведения (с вероятностью 0,95) в зави­симости от дальности ЛА до РТП при выпол­нении заходов на посадку на корабль при использовании сигналов наведения от ПРЛК и MLS, полученные в результате обработки дан­ных по описанной выше методике. В приве­денных данных частично учтены результаты, полученные ранее [5].

 

Рис. 1. Погрешности сигналов наведения для систем ПРЛК и MLS в зависимости от дальности ЛА до расчетной точки посадки: а - канал курса; б - канал глиссады

Из представленных на рис. 1 результатов статистической обработки сигналов наведе­ния, зарегистрированных в процессе выпол­нения заходов на посадку, следует:

  1. погрешности сигналов наведения по курсу S1 и глиссаде S2 для системы ПРЛК на удалении более 2 км от РТП практически не изменяются, а при приближении к РТП снача­ла плавно (до 1 км), а затем резко (в 6-9 раз) возрастают;
  2. погрешности сигналов наведения по курсу S3 и глиссаде S4 для системы MLS на удалении более 1 км от РТП практически не изменяются, при приближении к РТП - резко (в 3-5 раз) возрастают;
  3. погрешности сигналов наведения по курсу и глиссаде для системы ПРЛК в 3-4 раза меньше, чем для системы MLS на удалении бо­лее 2 км от РТП, на удалении от РТП около 1 км погрешности обеих систем практически равны;
  4. при заходе на посадку с использовани­ем ПРЛК на удалениях от РТП более 2 км вы­сокочастотные составляющие погрешности сигналов наведения по курсу S1 и глиссаде S2 практически составляют около 0,03° и 0,02° соответственно;
  5. при заходе на посадку с использовани­ем MLS на удалениях от РТП более 1 км высо­кочастотные составляющие погрешности сиг­налов наведения по курсу S3 и глиссаде S4 практически составляют около 0,11° и 0,06° соответственно.

Анализ результатов статистической обработки

Характер поведения СКО погрешностей сиг­налов наведения систем ПРЛК и MLS, пред­ставленных на рис. 1, может быть объяснен следующим образом.

При использовании для формирования сигналов наведения первичных радиолокато­ров сантиметрового и миллиметрового диапа­зона радиоволн существует проблема возникновения дополнительной ошибки определения отклонений ЛА от заданной глиссады сниже­ния, обусловленная геометрическими размера­ми ЛА [1]. Если при нахождении ЛА на отно­сительно больших удалениях от радиолокатора эта погрешность определяется в основном ве­личиной эффективной площади рассеяния ЛА и мощностью излучения радиолокатора, то при приближении ЛА к точке установки антенны радиолокатора существенное значение имеют множественные переотражения от элементов фюзеляжа и оперения ЛА. Когда угловой раз­мер области отражения радиосигналов ста­новится соизмерим или превышает значения заданных для радиолокатора допустимых угло­вых погрешностей измерения, то эта погреш­ность может превышать заданные требования.

Место установки радиолокатора опре­деляется техническими возможностями его размещения на корабле. В случае выполнения захода на посадку ЛА всегда приближается к точке установки радиолокатора, его геометри­ческие размеры могут оказывать существенное влияние на погрешность измерения. Пробле­му снижения погрешности измерения угловых отклонений в системах ПРЛК можно решить, установив на ЛА уголковые отражатели или используя принципы вторичной радиолокации [1, 6]. Особую важность рассматриваемая про­блема приобретает для радиолокационных си­стем посадки, применяемых для беспилотных ЛА при посадке в автоматическом режиме [7].

При использовании для формирования сигналов наведения в радиомаячных систе­мах посадки типа MLS, как отмечено выше, погрешность высокочастотной составляющей сигналов наведения возрастает при приближе­нии ЛА к РТП. Подобный эффект наблюдает­ся во многих радиомаячных системах [8] при приближении ЛА к радиомаякам. Он обуслов­лен взаимодействием диаграмм направленно­сти бортовой антенны и радионавигационного поля, сформированного антенной системой радиомаяка при быстром изменении уровня сигнала на входе бортового приемника. Это приводит к дополнительным ошибкам в рабо­те систем слежения радиотехнических трактов бортового приемника.

Математическая модель ошибок

При разработке алгоритмов комплексной обра­ботки информации для бортовых навигационно-посадочных комплексов особый ин­терес представляет модель ошибок сигна­лов наведения на разных участках траекто­рии глиссады в зависимости от дальности до РТП. Использование такой модели позво­ляет разрабатывать оптимальные алгоритмы, существенно повышающие эффективность формирования сигналов управления, в том числе для САУ ЛА. Представленные на рис. 1 результаты статистической обработки позволяют предложить следующие модели для вы­сокочастотных составляющих ошибок PFN сигналов наведения корабельных систем по­садки типа ПРЛК и MLS.

Для систем ПРЛК и MLS в качестве мате­матической модели высокочастотных состав­ляющих ошибок измерений при выполнении заходов на посадку на корабль можно принять следующие зависимости:

Здесь Si - соответствующие ошибки измере­ний (при i = 1 по курсу для ПРЛК, при i = 2 по глиссаде для ПРЛК, при i = 3 по курсу для MLS, при i = 4 по глиссаде для MLS);

ki - параметры, являющиеся константа­ми, принимающие значения: k1 = 0,03...0,05°; k2 = 0,02...0,03°; k3 = 0,10...0,13°; k4 = 0,04...0,06°;

fi (D) - линейно убывающая от дально­сти функция.

При этом fi (D) = 0 на D = 1 км; макси­мальное значение fi (D) при D = 0 км (в РТП), определяется типом посадочной системы и ка­налом измерения: f1(O) = 0,79°, f2(O) = 0,35°; f3(0) = 0,45°; f4(0) = 0,15°.

Использование для коэффициента k ди­апазона значений обусловлено недостаточным объемом статистического материала, требует­ся его дальнейшее уточнение путем увеличения объема исходных данных.

Моделирование ошибок корабельных систем посадки

Предложенная выше модель ошибок была ис­пользована при разработке и отладке алгорит­мов формирования информации в бортовых навигационно-посадочных комплексах ЛА для исследования характеристик систем по­садки на авианесущие корабли при наличии качки и пространственных эволюций ЛА.

Для примера, на рис. 2 приведены резуль­таты цифрового моделирования ошибок, воз­никающих в курсовом (рис. 2, а) и глиссадном (рис. 2, б) каналах радиолокационной системы инструментальной посадки, при наличии про­странственных эволюций ЛА и качки кора­бля по продольной, боковой и вертикальной осям с характеристиками, представленными на рис. 2, в, г и д соответственно.

 

Рис. 2. Результаты цифрового моделирования ошибок, возникающих в курсовом и глиссадном каналах радиоло­кационной системы инструментальной посадки

 

Моделирование было проведено в среде MATLAB. Качка корабля имитирована с ис­пользованием уравнений регулярной качки [9].

По результатам анализа данных, полу­ченных при моделировании в программном комплексе, можно заключить, что формиру­емые значения ошибок измерений сигналов наведения инструментальных систем посад­ки в целом соответствуют результатам, по­лученным в натурных испытаниях. Однако с удаления от 2 до 1 км принятая модель погрешностей будет более оптимистичной, чем результаты, полученные на основе статистиче­ской обработки результатов испытаний.

Заключение

Выполнена оценка статистических характе­ристик сигналов наведения при выполнении инструментальных заходов на посадку с ис­пользованием радиолокационных (ПРЛК) и радиомаячных (MLS) систем посадки. Экс­периментально полученные зависимости оценок погрешности определения сигналов наведения по курсу и глиссаде от расчетной точки посадки могут быть достаточно точно аппроксимированы относительно простыми математическими выражениями. На основе результатов статистической обработки дан­ных натурных испытаний построена матема­тическая модель, формирующая ошибки из­мерений радиотехнических систем посадки, используемых на авианесущих кораблях. Эта модель также учитывает реальные характери­стики и параметры качки корабля и простран­ственных эволюций летательных аппаратов.

Выполненное моделирование заходов ле­тательных аппаратов на посадку и полученные при этом погрешности сигналов наведения в целом показывают адекватность формируемых в программном комплексе ошибок сигналов наведения имеющимся данным натурных ис­пытаний. Разработанный программный ком­плекс целесообразно использовать при про­ведении исследований характеристик систем автоматической посадки летательных аппара­тов на авианесущие корабли. Также целесо­образно провести сравнение теоретических расчетов с полученными данными для уточ­нения и корректировки предложенной матема­тической модели и выполнить моделирование заходов на посадку при различных параметрах качки корабля и эволюций ЛА. Для повышения достоверности оценок погрешностей опреде­ления сигналов наведения необходимо увеличить объем исходных данных.

Список литературы

1. Справочник по радиолокации: в 4 т. Т. 1. Основы радиолокации / под общ. ред. К. Н. Трофимова. М.: Сов. Радио, 1976. 456 с.

2. Авиационная электросвязь. Т. 1. Радионавигационные средства. Международные стандарты и рекомендуемая практика. Канада, Монреаль: ИКАО, 2006. 612 с.

3. Ярлыков М. С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985. 345 с.

4. Харин Е. Г., Копылов И. А. Технологии летных испытаний бортового оборудования летательных аппаратов с применением комплекса бортовых траекторных измерений. М.: МАИ-Принт, 2012. 360 с.

5. Амелин К. Б., Саута О. И. Инструментальные погрешности радиолокационных систем посадки // Авионика: сб. науч. ст. по матер. I Всерос. научн.-производ. конф. (17–18 марта 2016 г.). Воронеж, ВУНЦ ВВС «ВВА», 2016. С. 13–16.

6. Кузнецов А. А., Дубровский В. И., Уланов А. С. Эксплуатация средств управления воздушным движением. М.: Транспорт, 1983. 256 с.

7. Антохина Ю. А.., Бабуров С. В., Бестугин А. Р., Переломов В. Н., Саута О. И. Развитие навигационных технологий для повышения безопасности полетов // под науч. ред. Ю. Г. Шатракова. Минобразования и науки Российской федерации. СПб.: ГУ АП, 2016. 298 с.

8. Саута О. И., Губкин С. В. Статистические характеристики азимутально-дальномерной информации РСБН при посадке ЛА // Вопросы радиоэлектроники. 1987. Сер. ОВР. Вып. 7. С. 23–29.

9. Посадка беспилотных летательных аппаратов на суда: проблемы и решения / под общ. ред. С. Н. Шарова. СПб.: Судостроение, 2014. 192 с.


Об авторах

К. Б. Амелин
АО «Навигатор»
Россия

Амелин Константин Борисович – инженер второй категории. Область научных интересов: бортовые навигационно-посадочные комплексы летательных аппаратов корабельного базирования.

г. Санкт-Петербург



О. И. Саута
АО «ВНИИРА»
Россия

Саута Олег Иванович – доктор технических наук, главный специалист. Область научных интересов: наземные и бортовые комплексы и системы навигации и посадки летательных аппаратов, системы обеспечения безопасности полетов.

г. Санкт-Петербург



Ю. Г. Шатраков
АО «ВНИИРА»
Россия

Шатраков Юрий Григорьевич – доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки России, лауреат Государственных и Правительства Санкт-Петербурга премий, действительный член Академии технологических наук Российской Федерации, ученый секретарь. Область научных интересов: радиотехнические системы навигации, посадки и управления воздушным движением.

г. Санкт-Петербург



С. В. Бабуров
АО «Навигатор»
Россия

Бабуров Сергей Владимирович – кандидат технических наук, заместитель генерального директора. Область научных интересов: перспективные системы авионики, системный анализ.

г. Санкт-Петербург



Для цитирования:


Амелин К.Б., Саута О.И., Шатраков Ю.Г., Бабуров С.В. Математическая модель ошибок радиотехнических корабельных систем для исследования проблем автоматической посадки. Вестник Концерна ВКО «Алмаз – Антей». 2017;(4):98-104.

For citation:


Amelin K.B., Sauta O.I., Shatrakov Yu.G., Baburov S.V. Mathematical model of radio engineering ship system errors in the autolanding problems studies. Journal of «Almaz – Antey» Air and Space Defence Corporation. 2017;(4):98-104. (In Russ.)

Просмотров: 30


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2542-0542 (Print)