Методологічні засади комплексного позиціонування літальних апаратів за сукупністю навігаційних засобів в умовах ризику

Abstract

Дисертаційна робота спрямована на вирішення актуальної науково-технічної проблеми підвищення точності визначення координат місцеположення літального апарату в умовах незапланованої відмови основної системи позиціонування з метою забезпечення виконання сучасних вимог навігації заснованої на характеристиках. Розроблено та запатентовано методи позиціонування літального апарату за сукупністю навігаційної інформації отриманої за результатами вимірювань датчиків та прогнозованих за регресією значень на основі попередніх вимірювань. Зокрема, розроблено методи позиціонування за сукупністю інформації від далекомірного обладнання, сукупністю кутової інформації від всенапрямлених радіомаяків, та їх комбінації, що дозволяє підвищити точність кожного з методів шляхом вибору оптимальної геометрії взаємного місцерозташування у порівнянні з існуючими методами позиціонування за парами навігаційних засобів. Запропоновано методи позиціонування за інформацією системи попередження зіткнень літаків у повітрі та інформацією про повітряний рух навколо, отриманої за концепцією автоматичного залежного спостереження, що дозволяє оцінювати координати літального апарату з урахуванням зони невизначеності. Розробленометод пасивного позиціонування, що використовує сигнали далекомірного обладнання, наявні у просторі, у якості опорного навігаційного сигналу для отримання часової різниці фіксації сигналів на борту літака, що дозволяє визначати власне місцеположення у просторі на основі різністно-далекомірного принципу без випромінювання електромагнітних хвиль, що зменшить завантаженість наземних радіонавігаційних засобів. Удосконалено метод оцінювання доступності радіонавігаційних засобів, що враховує індивідуальні особливості наземного обладнання, вплив тропосфери, рельєфу місцевості і штучних споруд на поширення сигналів радіонавігаційних засобів та дозволяє більш точно визначати зону дії наземних радіонавігаційних засобів у повітряному просторі. Вперше запропоновані моделі ймовірнісного класифікатора для контролю за витримуванням навігаційних характеристик, що гарантують розпізнавання відповідності специфікаційним вимогам зональної навігації з максимальною ймовірністю. Сформульовано та вирішено оптимізаційну задачу вибору оптимальногонабору радіонавігаційних засобів у термінах цілочисленного лінійного програмування, що дозволяє оптимально використовувати наземний сегмент радіонавігаційного обладнання. В роботі уперше розроблено модель оцінювання характеристик поля навігаційних сигналів сформованих радіонавігаційними засобами у тривимірному просторі, що дозволяє отримувати точну тривимірну модель просторових зон відповідності специфікаційним вимогам зональної навігації для задач планування повітряного руху. Модель ґрунтується на ітеративному підході оцінювання характеристик позиціонування за різними методами з використанням розбиття повітряного простору на елементарні частинки та інтегрального оцінювання контурів просторових об’єктів. Розроблену модель використано для оцінювання тривимірних зон простору відповідності різним вимогам зональної навігації для різних методів навігації у межах повітряного простору України. У сукупності розроблені методи надають якісно нове рішення задачі забезпечення систем літального апарату навігаційною інформацією у випадку відмови основного джерела даних позиціонування. Застосування розроблених методів відповідає напрямам розвитку авіаційної галузі та підвищує безпеку авіаційних перевезень.

Thesis is dedicated to solve scientific-technic problem of aircraft coordinates’ accuracy improvement in the case of primary positioning system malfunction in order to guarantee performance-based navigation requirements. New methods of aircraft positioning by advanced integration of measured data from air navigation sensors and valuespredicted by regression model obtained with a help of previous measurements were developed. In particular, positioning methods by aggregate data from distance measuring equipment, angular information from omni-directional beacons, and their combinations have been developed, which allows to increase the accuracy of each of the methods by choosing the optimal geometry of the relative positioning in comparison with the existing methods of positioning by pairs of navigation means. The methods of airplane positioning by data of traffic collision and avoidance system and information about the air traffic, obtained by automatic dependent surveillance-broadcast, which allows to estimate the coordinates of the aircraft taking into account the areas of uncertainty, are offered. Developed passive positioning method uses navigational signals of distance measuring equipment available in space as a reference signal to obtain a temporal difference in the signals fixation on-board the aircraft, that reduce the load of ground-based infrastructure. The method of estimating the availability of navigation aids has been improved, by taking into account the individual characteristics of ground equipment, the influence of the troposphere, terrain and artificial structures on the propagation of signals, that helps to identify operational volume of navigational aids. Models of probabilistic classifier for controlling the holding of navigation characteristics, which guarantee recognition of compliance with the air navigation specifications with maximum probability, were first proposed. The optimization problem of choosing the optimal set of radio navigation aids in terms of integer linear programming is formulated and solved, which allows optimal use of the terrestrial segment of navigation equipment. In this paper, we first developed a model for estimating the characteristics of a field of navigation signals generated by navigational aids in three-dimensional space, which allows to obtain an accurate three-dimensional model of volume in accordance with the specifications of area navigation for air traffic planning tasks. The modelis based on an iterative approach to evaluate the positioning characteristics of various methods using the partitioning of air space into elementary particles and the integral estimation of the contours of spatial objects. The developed modelwas used to evaluate three-dimensional volume of air space compliance with different area navigational requirements within Ukrainian airspace. In complex, the developed methods provide new solution to the problem of providing aircraft systems with navigation information in case of failure of the main source of positioning data. Application of the developed methods corresponds to the directions of development of aviation industry and improves safety of aviation transportation.