Способ мониторинга (периодического контроля) систематических погрешностей измерения барометрической высоты

Область техники

Изобретение относится к измерительной технике и может быть применено в системе организации воздушного движения (ВД) в условиях сокращенных интервалов вертикального эшелонирования.

Уровень техники.

В связи с ростом интенсивности полетов гражданских воздушных судов (ВС) и переходом, в соответствии с правилами ИКАО, на сокращенные интервалы вертикального эшелонирования (RVSM) чрезвычайно важным является выполнение жестких требований к точности выдерживания заданной барометрической высоты эшелона.

Наиболее трудно контролируемой составляющей суммарной погрешности выдерживания высоты является погрешность ее измерения: она не выявляется ни экипажем, ни диспетчером, ни системой предотвращения столкновений ВС в воздухе. При этом наиболее важной составляющей погрешности измерения высоты является систематическая, которая является причиной отклонения от высоты эшелона на протяжении большого числа полетов и делает такое ВС опасным с точки зрения возможных столкновений. Эта погрешность связана в большинстве случаев с особенностями обтекания фюзеляжа в точке установки приемников воздушного давления (аэродинамическая погрешность) или ее учета (аэродинамическая поправка). Поэтому мониторинг систематических погрешностей измерения барометрической высоты при полетах в пространстве RVSM является обязательным (Doc 9574 AN/934 «Руководство по применению минимума вертикального эшелонирования в 300м (1000 фут) между ЭП290 и ЭП410 включительно», издание 3, 2013, п. 6.1.1).

Существующие в настоящее время методы мониторинга предполагают либо наличие на борту ВС спутникового навигационного оборудования и присутствие наблюдателя, контролирующего его работу, либо организацию специальных наземных станций, использующих технологию MLAT (мультилатерация), позволяющую определять координаты ВС, находящихся в зоне действия этих станций. Основными недостатками данных методов являются высокая стоимость оборудования и сложность организации системы наблюдения для покрытия больших пространств.

Известен «Способ калибровки и повышения точности барометрических высотомеров с использованием спутниковой системы определения местоположения» (описание патента США, №6768449, www.espacenet.com), заключающийся в определении разницы измерений значений высоты, полученных от барометрического высотомера (БВ) и от GPS приемника. По полученным данным вычисляют среднюю разницу высот, а также среднестатистическую ошибку указанной разницы. Если отклонения среднестатистической ошибки превосходят заранее определенную величину допустимых отклонений, то процессор начинает вычислять необходимую величину калибровки БВ.

Недостатки данного способа заключаются в том, что:

- не решается задача выделения систематической погрешности измерения барометрической высоты, обусловленной искажением давления при обтекании ВС потоком воздуха;

- невозможно использовать данный способ при полетах на высотных эшелонах в связи с тем, что при полете на эшелонах следует измерять и выдерживать постоянной высоту, отсчитываемую не от уровня моря, а от изобарической поверхности, соответствующей стандартному атмосферному давлению.

Известен также «Способ периодического контроля (мониторинга) средств измерения барометрической высоты самолетов при их эксплуатации» (описание патента РФ на изобретение, №2221221, www1.fips.ru), основанный на измерении геометрической высоты с помощью спутникового навигационного приемника и барометрической высоты от штатного БВ, при котором на борту ВС регистрируют информацию от штатного спутникового навигационного приемника, а также информацию о геометрической и барометрической высотах, полученную по каналу автоматического зависимого наблюдения, вычисляют для пары ВС, состоящей из оцениваемого ВС и одного (i-го) из n встречных ВС, величину δ_i, характеризующую предварительную оценку погрешности измерения барометрической высоты, на оцениваемом ВС, полученные для n пар значения осредняются и осредненная величина принимается за окончательную оценку искомой величины погрешности штатного измерителя барометрической высоты.

В числе основных недостатков данного способа необходимо отметить следующие:

- информация обрабатывается и накапливается на борту ВС, в то время как она должна сосредотачиваться в государственном органе, контролирующем работу перевозчиков и отвечающем за безопасность ВД;

- необходимо оснащение ВС дополнительным оборудованием, в т.ч. каналами приема радиосигналов от окружающих ВС и аппаратными средствами для обработки и хранения полученной информации, что ведет к усложнению системы.

В качестве прототипа выбран «Способ мониторинга выдерживания высоты эшелона полета» (описание патента РФ, №2390793, www1.fips.ru), заключающийся в том, что ВС, оборудованные бортовыми измерителями координат местоположения и параметров движения, а также приемопередающими радиостанциями, ведут передачу в один или несколько общих каналов; задают ограниченную область пространства для мониторинга выдерживания высот воздушными судами при полете на фиксированном эшелоне, который подлежит анализу, получают от ВС, находящихся в указанной области пространства, сообщения, содержащие идентификатор источника сообщения, данные о координатах местоположения, параметры движения, высоту заданного эшелона, измеренную барометрическую высоту, температуру окружающей среды, а также отсчет момента измерений по шкале единого времени, отсеивают недостоверные данные, а достоверные запоминают для дальнейшей обработки, задают вид описывающей функции, аппроксимирующей зависимость между барометрической и геометрической высотами, вычисляют коэффициенты описывающей функции, решают описывающую функцию и по данным бортовых измерений вычисляют для каждого ВС отклонение от заданной высоты эшелона.

Недостатками прототипа являются:

- определяется суммарная погрешность выдерживания высоты эшелона без выделения систематической погрешности измерения барометрической высоты, что значительно ограничивает возможность использования результатов мониторинга;

- предлагается сложное радиовзаимодействие между ВС, включая прослушивание радиосигнала каждой радиостанцией, что сужает применимость способа из-за необходимости оснащения ВС специальным оборудованием.

Целью предлагаемого способа является обеспечение мониторинга систематической погрешности барометрической высоты с использованием существующих средств бортового оборудования ВС на сокращенных интервалах вертикального эшелонирования.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом заявляемого способа является повышение качества результатов мониторинга систематических погрешностей измерения барометрической высоты за счет расширения зоны его действия, а также увеличения объема выборки при статистическом анализе результатов измерений.

Указанный результат достигается тем, что с борта ВС с определенной периодичностью передается информация о номере борта, барометрической и геометрической высоте полета, времени и географических координатах. Переданная информация принимается и обрабатывается наземной станцией.

Если на борту ВС имеются идеальные измерители барометрической (система воздушных сигналов) и геометрической высоты (спутниковый навигационный приемник), разница показаний измерителей геометрической и барометрической высоты зависит только от состояния атмосферы. При реальных измерителях эта разница будет искажена их погрешностями. Если в достаточно узкой зоне (в пространстве и времени) наблюдается m ВС, осредненное значение упомянутой разницы будет слабо зависеть от случайных погрешностей измерителей, поскольку их влияние в соответствии с законами теории вероятности будет уменьшено в корень из m раз, и осредненная разность измеренных значений геометрической и барометрической высот тоже будет практически определяться только состоянием атмосферы.

В выделенной области пространства организуют сеансы и с определенным интервалом времени производят сбор данных. Весь процесс обработки результатов измерения разбивается на два этапа.

Первый этап соответствует обработке данных j-го (j=1…n) сеанса. На этом этапе осуществляется осреднение разностей геометрической и барометрической высот, определенных в j-м сеансе, для всех наблюдаемых ВС путем построения зависимости (аппроксимации) упомянутых разностей в функции координат и времени. Полученная аппроксимация является базой для предварительной оценки погрешностей измерения на каждом ВС, участвующем в процессе. Далее вычисляется разность между разностью значений геометрической и барометрической высот для каждого ВС и осредненной величиной, полученной в результате аппроксимации. Эта разность разностей является предварительной оценкой погрешности измерения высоты на каждом участвующем в сеансе ВС. В нее наряду с оцениваемой величиной (систематической погрешностью) входят погрешности аппроксимации для данного сеанса, погрешность спутникового приемника оцениваемого ВС и другие случайные погрешности.

На втором этапе обработки путем осреднения данных, полученных в n разных сеансах, выделяется искомая систематическая погрешность, при этом влияние случайных погрешностей сводится к минимуму. Эта величина сравнивается с назначенным ICAO допустимым значением и позволяет выделить потенциально опасные экземпляры ВС с повышенными систематическими погрешностями измерения барометрической высоты. Зона мониторинга может быть организована при каждой наземной станции АЗН-В, и осредняться могут данные, полученные в разных зонах наблюдения.

Краткое описание чертежей

Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой представлен процесс мониторинга и алгоритм принятия решения относительно каждого самолета из всего количества подлежащих мониторингу.

В верхней части показаны зоны наблюдения (вся зона действия наземной станции или ее часть с наиболее плотным движением) при проведении сеансов. Сеансом считаем интервал времени, в котором собираются данные в зоне наблюдения. В каждой зоне наблюдения может быть произвольное количество разнесенных во времени сеансов. В каждом j-ом сеансе, для каждого самолета вычисляется разность значений геометрической (Н_г) и барометрической (Н_б) высоты δ=Н_г-Н_б, на основании данных по всем наблюдаемым самолетам аппроксимируется сглаженная зависимость этой разности от положения в пространстве и времени δ_j=ƒ(ϕ, λ, Н_г, t),

где - ϕ, λ - географические координаты;

- Н_г - геометрическая высота;

- t – время.

На первом этапе в каждом сеансе для каждого ВС вычисляется разность разностей (δ'=δ-δ_j) между δ - фактической разностью измеренных значений геометрической и барометрической высот ВС и δ_j - ожидаемой разностью, определенной по полученной функциональной зависимости. Эта разность разностей является предварительной оценкой искомой систематической погрешности измерения высоты на ВС, т.к. эта оценка искажена случайной погрешностью измерения геометрической высоты, имевшей место в конкретном сеансе, на каждом оцениваемом ВС.

На втором этапе объединяются данные, полученные для m-го ВС во всех n сеансах, в которых оно участвовало. При статистической обработке в результате осреднения данных, полученных в разных сеансах, влияние погрешностей измерения геометрической высоты оцениваемого ВС уменьшается пропорционально квадратному корню от числа сеансов, и полученная оценка погрешности измерения используется в качестве систематической погрешности измерения барометрической высоты ВС.

Разделение обработки данных на два этапа позволяет получать в каждом сеансе промежуточные результаты, не требующие дополнительной привязки к координатам ВС, поэтому на втором этапе могут объединяться данные, полученные в разных наземных пунктах.

Осуществление изобретения.

Предложенный способ осуществляется следующим образом. На борту ВС устанавливается стандартное оборудование, включающее штатные измерители барометрической высоты, спутниковые навигационные приемники, а также радиолокационные ответчики системы АЗН-В (автоматического зависимого наблюдения вещательного типа). Наземные станции оборудуются стандартным набором оборудования АЗН-В, обеспечивающим прием и регистрацию данных от всех ВС, находящихся в зоне ее действия, а также вычислителем, в котором зарегистрированные данные сеанса обрабатываются и вычисляется систематическая составляющая погрешности барометрической высоты для каждого ВС. Сопоставление полученной систематической погрешности с допустимым значением позволяет выявить ВС, на которых данная погрешность превышена.

Реализация предложенного способа позволит при минимальной доработке наземных станций АЗН-В (включение дополнительных алгоритмов обработки результатов, предусмотренной для первого этапа) получать информацию о погрешностях измерения барометрической высоты на ВС, появляющихся в зоне наблюдения. Обработка данных второго этапа может производиться как в месте сбора данных, так и в едином центре. Во втором случае ускоряется процесс сбора данных. При реализации способа отпадает необходимость в дорогих наземных станциях мониторинга, основанных на мультилатерации, и уменьшаются затраты авиакомпаний, поскольку отсутствует необходимость уточнения плана полета с целью попадания ВС в зону действия этих станций.

Работоспособность метода подтверждена в предварительных натурных испытаниях ограниченного объема.