Ульяновское высшее авиационное училище гражданской авиации (институт)

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)

 

ИССЛЕДОВАНИЕ

 

ПРОЦЕССОВ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

 

Методические указания

 

По выполнению лабораторных работ № 1, 2

по дисциплине «Основы теории управления и организации воздушного движения» для курсантов специализации 240801

 

 

Ульяновск 2006

 

ББК О580.3 я7

 

И 88

 

Исследование процессов непосредственного управления воздушным движением: метод. указания по выполнению лабораторных работ № 1, 2 по дисциплине «Основы теории управления и организации воздушного движения» / сост. В.А. Карнаухов. – Ульяновск: УВАУ ГА, 2006. – 21 с.

 

Содержит краткие теоретические сведения, а также описание и порядок выполнения лабораторных работ на базе комплексного диспетчерского тренажёра.

Предназначено курсантам специализации 240801 – Управление воз-

 

душным движением.

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение…………………………………………………………………….3

 

Общие сведения……………………………………………………………4

 

Лабораторная работа № 1. «Исследование процессов непосредственного управления воздушным движением в различных условиях»…………..……6

Лабораторная работа № 2. «Прогноз развития динамической

 

воздушной обстановки»……………………………………………………...10

 

Приложения…………………………………………………..............................14

 

© Ульяновск, УВАУ ГА, 2006.

 

ВВЕДЕНИЕ

 

В методических указаниях содержатся сведения необходимые для вы- полнения двух лабораторных работ по дисциплине «Основы теории управления и организации воздушного движения.

Цель работ:

− ознакомление с элементами информационной модели динамиче-

ской воздушной обстановки;

− приобретение первоначальных навыков, оценки и анализа пара-

метров месторасположения и движения воздушных судов (ВС) по радио-

 

локационному изображению;

− закрепление теоретических знаний по темам раздела «Моделирова-

ние процессов в системе ОВД», «Исследование процессов в системе ОВД» и

 

«Динамические процессы УВД и их оптимизация», путем анализа измерен-

 

ных конкретных параметров динамической воздушной обстановки.

 

Приобретение первоначальных навыков осуществляется при проведе- нии анализа интенсивности воздушного движения, получении основных количественных характеристик воздушного движения и среднего числа ожидаемых конфликтных ситуаций (КС) в точке пересечения маршрутов. Углубление знаний по анализу и оценка динамической воздушной обста- новки в районе УВД достигаются при математической обработке резуль- татов измерений в компьютерном классе или в обычной аудитории.

В конце каждой лабораторной работы приведен список рекомендуемой литературы. Приложения содержат пример обработки результатов изме- рений параметров движения ВС, оценку точности выдерживания линии заданного пути, диаграмму-график РЛС кругового обзора и схему учебно- го района управления воздушным движением.

Отчет по лабораторным работам представляется в распечатанном виде, если они выполняются в компьютерном классе, или в рукописном виде при выполнении работ на тренажере и в учебной аудитории.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

 

Реализация практически любых методов исследования связана с количест- венным либо с качественным анализом процессов, который, в свою очередь, основан на количественном или качественном описании характеристик про- цессов. Идеальным средством исследования природных или техногенных яв- лений является натурный эксперимент. В тех случаях, когда постановка тако- го эксперимента затруднительна или невозможна, применяется моделирова- ние, то есть замена реального процесса его упрощенным аналогом.

При моделировании все или часть реально действующих факторов за- меняется механической или логической моделью. Предельным случаем моделирования являются теоретические исследования. Промежуточное положение между ними занимает полунатурное моделирование, когда ре- альные факторы сочетаются с факторами, представленными моделями. Реальными при этом остаются те факторы, модельное описание которых затруднительно или невозможно.

Применение моделирования для исследования процессов непосредст- венного (оперативного) УВД ограничивается в настоящее время, в основ- ном, полунатурным моделированием. Такое моделирование производится при включении в контур реального диспетчера, а окружающая среда (воз- душное пространство, ВС, технические средства и т.д.) представляется математическими моделями. Это позволяет адекватно воспроизводить деятельность диспетчера при любых, в том числе и проблемных, требую- щих нестандартных решений, внешних воздействиях.

Практика и теория исследований системы ОВД на различных этапах ее функционирования показывает, что традиционным подходом обычно служит подход, использующий принципы декомпозиции и агрегирования, когда весь период функционирования системы ОВД делится на этапы, этапы, в свою очередь, на процессы и т.д. При этом для анализа вводят

 

количественные (либо качественные) характеристики процессов и при ис- следованиях используют уже только эти введенные характеристики. При объединении результатов, полученных при моделировании процессов, происходит синтез и оценка характеристик системы ОВД, т.е. агрегирова- ние ее качеств на всех этапах функционирования. Изучение системы ОВД невозможно без моделирования ее процессов. Употребляя слова «модель»,

«модельное описание» обычно имеют в виду выбор на этапе функциони- рования системы определенного исследуемого процесса и выявление именно тех особенностей, которые и интересуют исследователя. В выде- лении процесса, а также в описании основных закономерностей, опреде- ляющих область и виды изменения характеристик, и состоит моделирова- ние. При исследовании такой сложной системы, как система ОВД, важное место занимает математическое моделирование процессов, протекающих в ее элементах. Под математической моделью понимается описание на ка- ком-либо формальном языке изменений наиболее существенных компо- нентов количественной характеристики состояния процесса.

Иначе говоря, математическая модель отражает зависимости между некоторыми параметрами посредством математических выражений. В ка- честве таких выражений могут выступать как уравнения, так и неравенст- ва, указывающие допустимые области изменения величин. Основой ими- тационной модели является алгоритм, в котором отражаются основные сведения о работе системы, о взаимосвязях между ее элементами. Естест- венно, адекватность модели зависит от полноты и точности этих сведений, которые формируются путем наблюдения и анализа данных о функциони- ровании элементов системы в различных условиях.

Эти сведения совместно с уже известными математическими зависимо- стями между некоторыми параметрами имитируемого процесса позволяют разработать имитационную модель процесса для решения указанных и дру- гих задач моделирования. Наиболее удобной моделью для исследования

 

процессов системы ОВД является тренажер. На экране индикатора радио- локатора воздушная обстановка (или ее модель на тренажере) отображает- ся в системе полярных координат, задающих азимут и дальность (удале- ние) ВС относительно точки расположения РЛС. При построении имита- ционной модели воздушной обстановки удобно пользоваться более при- вычной, прямоугольной системой координат, центром которой может быть также центр экрана индикатора радиолокатора.

Имитация движения ВС при выполнении лабораторных работ основы- вается на применении математической модели движения ВС, воспроизве- дении некоторых событий в процессе движения ВС, имитации воздушно- го пространства с расположением участков воздушных трасс. Исходные данные для имитационной модели содержатся в файлах заданий, в кото- рых закодирована информация о расположении пунктов участков трасс (модели зоны УВД), программе движения ВС (планах полетов в зоне).

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

 

Диаграмма-график

дальности действия РЛС кругового обзора в аэропорту

 

 

Масштаб … … ….

 

 

м

в

я

Обработка результатов измерений параметров движения ВС.

 

и

т

Оценка точности выдерживания линии заданного пути

 

Для простоты расчета выберем систему прямоугольных координат так,

 

чтобы начало ее

было расположено в точке установки РЛС, ось

X совпа-

 

дала с направлением истинного (магнитного) меридиана, проходящего че-

рез точку установки РЛС (меридиана, по которому ориентирована РЛС), а ось Y была направлена на восток. Тогда измеренные с помощью РЛС ази-

 

мут и дальность будут

 

представлять собой полярные координаты ВС в

 

выбранной системе координат. Произведем пересчет полярных координат

 

в прямоугольные и поместим их

в табл.

3. Поправку за перевод измерен-

 

ной наклонной дальности в горизонтальную учитывать не будем ввиду ее

 

малости.

 

С

Таблица 3

 

Номер измерения	ВС № 1	ВС № 2	ВС № 3
X	У	X	У	X	У
	- 72,7	- 171,2	+15,8	-180,3	+I45.5	-122,1
	- 62,9	- 155,8	+22,7	-161,4	+140,6	-105,9
	- 44,8	- 137,9	+29,9	-140,9	+136,7	- 88,8
	- 31,2	- 125,4	+36,8	-120,5	+131,2	- 72,7
	-15,0	- 106,9	+43,8	-103,1	+126,1	- 56,1

 

 

Если по вычисленным координатам

нанести

местоположение ВС на

 

график, то мы получим ряд точек, в которых находилось данное ВС в мо-

 

мент производства измерений (рис. 1).

 

 

Рис. 1

 

Исходя из условия, что в период производства измерений ВС перемеща- лось с постоянным курсом, найдем уравнение линии пути, которое наилуч- шим образом согласуется с полученными точками. Уравнение линии пути в прямоугольной системе координат можно записать в следующем виде:

у = Y О + kх.

 

Коэффициенты Y и k определим по способу наименьших квадратов:

 

k = ∑ ( Y i − Y)

= ∑Δ Y i;

Y 0 = У − k Х,

∑(X i

− X)(Y 1 − Y)

∑ Δ X i Δ Yi

 

где Х, У – среднее арифметическое из координат ВС;

 

Xi, Уi – координаты ВС в i -й точке.

 

Вычисления сведем в табл. 4. Используя данные таблицы, вычислим зна- чения коэффициентов k и Y 0 для каждого ВС и определим среднее квадрати- ческое отклонение каждого ВС от вероятнейшей линии пути (табл. 5).

 

Таблица 4

 

п/п	X	У	ΔХ	ΔУ	Δ У2	Δ х ΔУ	Увыч	Vу	Vs	Vs2
ВС № 1
	- 72,7	- 171,2	- 27,4	- 31,8	1011,2	+ 871,3	- 169,1	- 2,1	- 1,4	2,0
	- 62,9	-155,8	-17,6	-16,4	-269,0	+ 288,6	-158,4	+2,6	+1,8	3,2
	-44,8	-137,9	+0,5	+ 1,5	2,3	+ 0,8	-138,9	1,0	+0,7	0,5
	-31,2	-125,2	+14,1	+14,2	201,6	+ 200,2	-124,1	-1,1	-0,8	0,6
	-15,0	-106,9	+30,3	+32,5	1056,2	+ 984,8	-106,6	-0,3	-0,1	0,0
	-226,6	-697,0	- 0,1	0,0	2540,3	+2344,9			+0,2	6,3
СР	- 45,3	-139,4
ВС № 2
1.	+15,8	-180,3	-14,0	-39,1	1528,8	+ 547,4	-180,2	-0,1	0,0	0,0
	+ 22,7	-161,4	-7,1	-20,2	408,0	+ 143,4	-161,0	-0,4	-0,1	0,0
	+ 29,9	-140,9	+ 0,1	+ 0,3	0,1	+ 0,0	-141,0	+0,1	0,0	0,0
	+ 36,8	-120,5	+ 7,0	+20,7	428,5	+ 144,9	-121,7	+1,2	+0,4	0,2
	+ 43,8	-103,1	+14,0	+38,1	1451,6	+ 533,4	-102,2	-0,9	-0,3	0,1
	+149,0	-706,2	0,0	- 0,2	3817,0	+1369,1			0,0	0,3
ср-	+ 29,8	-141,2
ВС № 3
1.	+145,5	-122,1	+ 9,5	-33,0	1089,0	-313,5	-121,5	+0,4	+0,1	0,0
	+140,6	-105,9	+ 4,6	-16,8	282,2	-77,3	-104,6	-1,1	-0,3	0,1
	+136,7	-88,8	+ 0,7	+ 0,3	0,1	+0,2	- 91,4	+2,6	+0,7	0,5
	+131,1	- 72,7	-4,8	+16,4	269,0	- 78,7	- 72,6	-0,1	0,0	0,0
	+126,1	-56,1	-9,9	+33,0	1089,0	- 326,7	- 55,2	-0,9	-0,3	0,1
	+680,1	-445,6	+ 0,1	- 0,1	2729,3	- 796,0			+0,2	0,7
Ср.	+136,0	- 89,1

 

Таблица 5

 

Номер ВС	К	У0	Аº	σ, км
	+ 1,083	- 90,3	47,3	1,4
	+2,768	-224,3	70,3	0,3
	- 3,429	+377,2	106,3	0,5

 

 

Вычисления производятся по формулам: (Yвыч) i = Y 0 + kX i; (Vy) i = Yi − (Yвыч) i; Vs = Vy ⋅ cos Ak;

Ak = arctg k;

= ∑ V

σ S,

n − 2

 

где Vy – отклонение ВС от вероятнейшей линий пути (ВЛП) по координате Y;

 

Vs – отклонение ВС от ВЛП по нормали к ней;

 

А – азимут ВЛП, отсчитанный от меридиана РЛС;

 

σ – среднее квадратическое отклонение ВС от ВЛП;

 

n - число измерений координат ВС.

 

Из анализа диаграммы-графика (см. прил. 2) видно, что конфликтовать могут все три ВС. Рассчитаем минимальное расстояние между ВС в мо- мент, когда одно из них пересекает эшелон другого. Для этого рассчитаем длины участков трасс, которые прошли ВС за время наблюдения, и их пу-

тевые скорости

 

S (n) =

(X (n)

− X (n))2

+ (Y (n)

− Y (n))2,

 

W (n)

= S (n):Δ T,

 

где

(n)

S

−

 

длина участка трассы, пройденного n -м ВС;

 

X (n) Y (n)

– координаты – n -гo ВС в 1-й точке наблюдения;

1 1

 

X (n) Y (n)

– координаты n -го ВС в 5-й точке наблюдения;

 

W (n)

 

– путевая скорость n -го ВС;

 

Δ Т – промежуток времени наблюдения.

 

Результаты вычислений сведены в табл. 6.

 

Таблица 6

 

Номер ВС	S	W, км/ч	W, км/ч	W, м/с
	86,4		8,64
	82,1		8,21
	68,8		6,88

 

 

Вычислим координаты Х 0, Y 0 точек пересечения ВЛП для каждой пары

 

ВС. Для этого используем уравнения их движения в прямоугольной сис-

 

теме координат. Так, например, для ВС 1 и BC 2 имеем:

 

Y (1)

 

Y (2)

= −90,3+1,083 X (1);

= −224,3+ 2,788 X (2).

 

Так как в точке пересечения координаты обоих ВС равны (X (1) =

X (2))

 

и (Y (1)

= Y (2)), то, решив систему уравнений, получим:

 

X

1, 2

 

Y

1, 2

= +78,6;

= −5,2.

 

Аналогично рассчитаем координаты точек пересечения ВЛП для ос-

 

тальных пар ВС. Результаты вычислений сведем в табл. 7.

 

Таблица 7

 

Номер ВС	ВС I	ВС 2	ВС 3
X	У	X	У	X	У
	-	-	+ 78,6	-5,2	+103,6	+ 21,9
	+ 78,6	-5,2	-	-	+ 96,8	+ 45,4
	+103,6	+21,9	+ 96,8	+45,4	-	-

 

 

Далее рассчитаем расстояния и время полета от точки начала наблюде- ний до точки пересечения для каждой пары ВС и определим то из них, ко- торое первым выйдет в точку пересечения. Зная разность времени полета до точки пересечения и путевую скорость второго ВС, находим расстоя- ние между ними в момент пересечения первым ВС встречного эшелона. Умножив же разность времени полета на путевую скорость первого ВС,

 

получим расстояние между ВС в момент пересечения вторым ВС попут-

 

ного эшелона. Расчеты сведем в табл. 8.

 

Таблица 8

 

Показатели	W, м/с	BC 1 / BC2	BC 1 / BC 3	BC 2 / BC 3
S, км	t, с	S, км	t, с	S, км	t, с
ВС 1		224,6	I560	261,5
ВС 2		186,0				242,3	I771
ВС 3				150,0		174,4
Δ t
ΔSвст.		28,9		73,2		34,3
ΔSпоп.		27,5		58,4		28,7

 

 

Из табл. 8 видно, что имеет место ПКС (потенциально конфликтная си- туация) между ВС 1 и ВС 2. В момент пересечения встречного эшелона расстояние между ВС составит 28, 9 км при норме 30 км.

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

 

УЛЬЯНОВСКОЕ ВЫСШЕЕ АВИАЦИОННОЕ УЧИЛИЩЕ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ (ИНСТИТУТ)

 

ИССЛЕДОВАНИЕ