База знаний для обеспечения безопасности полета при групповом маловысотном полете
В статье разработана структура бортовой базы знаний для обеспечения безопасности полета при маловысотном полете строем.
Ключевые слова: безопасность; группа; самолет; малая высота; полет; опасная ситуация; траектория.
Сложность и многообразие режимов возможных режимов полета при групповом маловысотном полете (ГМВП), обусловленная большой размерностью фазового вектора, определяющего состояние контура управления, образованного системой управления (СУ) ГМВП, и вектора возмущений, влияющего на этот вектор, а также условий выполнения ГМВП, влекут за собой многообразие возможных опасных ситуаций (ОС), в которых непосредственно может быть создана угроза безопасности полета (БП). Предсказывание возможных ОС основывается на тщательном анализе в первую очередь кинематической картины режима ГМВП, описывающей относительное положение самолетов и рельефа местности (РМ), а также самолетов между собой, между собой в различных условиях, а также учет возможно деформации требуемой кинематической картины за счет воздействия возмущений (в первую очередь атмосферных). При этом основными методами анализа являются метод декомпозиции и структуры системы, факторного пространства условий и вектора состояния, а также эвристический метод выдвижения гипотез о возможных ОС, основываемый на знаниях о предметной области и смысловом содержании понятия ОС с точки зрения теории БП [1]. СУ ГМВП предполагается реализовывать на базе комплекса бортового оборудования самолетов с соответствующим алгоритмическим обеспечением обработки полетных данных и вычисления сигналов управления [2].
Известен подход к обеспечению безопасности плавания группы кораблей вблизи береговой черты и узостей. Это непрерывное определение взаимного положения судов относительно друг друга и береговой черты (заградительной изобаты – линии с заданной ненулевой глубиной, проходящей в непосредственной близости от береговой черты), а также своевременное принятие правильных мер по предотвращению столкновений между судами и посадки на мель вблизи берега [3]. Такой подход к обеспечению БП может быть принят за основу в режиме ГМВП. Поэтому для предотвращения столкновений самолетов с РМ в качестве граничных линий при выполнении маневров в вертикальной и горизонтальной плоскостях следует использовать в вертикальной плоскости - эквидистанты РМ, смещенные по вертикали вверх на величину 10…15% от эшелона МВП.
Целью анализа БП при ГМВП является выявление потенциальных угроз БП и возможных способов предотвращения аварийной либо катастрофической ситуаций, заключающегося в определении:
- перечня возможных ОС для режима полета строем;
- границ изменения кинематических параметров, определяющих режим полета строем, и составляющих вектора факторного пространства, выход за которые может быть квалифицировано наступление ОС;
- возможности предотвращения аварийной или катастрофической ситуаций за счет организации соответствующих управлений;
- вида управляющих воздействий для предотвращения аварийной или катастрофической ситуаций;
- выбор областей факторного пространства условий для режима ГМВП, в которых возможно предотвращение аварийной или катастрофической ситуаций.
К составляющим вектора факторного пространства режима ГМВП следует отнести скорость МВП, эшелон, полетную массу, параметры заданного относительного положения самолетов, режим и вид заданной траектории ГМВП, характеристики рельефа местности.
К составляющим фазового вектора, определяющим режим ГМВП, следует отнести относительные координаты самолетов в строю, их производные, параметры положения самолетов относительно РМ и их производные. При этом порядок производных определяется требуемой точностью управления ГМВП.
Предполагается, что ГМВП будет осуществляться:
- в сомкнутом строю - парами самолетов, при управлении ведомыми «по ведущему», что означает, что параметры его движения должны обеспечить выдерживание заданных параметров строя по всем трем относительным координатам [4];
- в разомкнутом строю - управлением ведомыми в горизонтальной плоскости «по ведущему», а в вертикальной плоскости с выдерживанием эшелона, учитывающего превышение над ведущим самолетом [4];
- в рассредоточенном строю - выполняется полет по индивидуальным навигационным планам полета с возможным эпизодическим контролем взаимного положения самолетов.
Следуя принципу декомпозиции, режим ГМВП может быть разбит на отдельные эпизоды:
а) режим МВП одиночного самолета с облетом препятствий в вертикальной плоскости [5];
б) режим полета строем группы самолетов [4];
в) режим МВП группы самолетов с облетом препятствий в вертикальной плоскости [5];
г) режим МВП одиночного самолета с обходом препятствий в вертикальной плоскости;
д) режим МВП группы самолетов с обходом препятствий в горизонтальной плоскости.
Важнейшим средством достижения целей ГМВП является заданная траектория (ЗТ) полета самолета в режиме ГМВП, которая по своему принципу построения может относиться к:
- «жестким» ЗТ, формируемым на некоторую глубину заданного участка земной поверхности, определяемым характером решаемой задачи, при этом основным источником информации о впередилежащем рельефе местности может являться база данных цифровой карты местности. При этом ЗТ формируется в земной неподвижной системе координат с явным учетом начальных и граничных условий по принципу «вид с земли на самолет»;
- «гибким» ЗТ, задаваемым элементами текущей и упрежденной геометрической высотами, определяемым в самолетной системе координат (по принципу «вид с самолета на землю»).
Преимуществом жестких ЗТ является возможность построить оптимальную (субоптимальную) ЗТ любой протяженности, отвечающую требованиям обеспечения заданного уровня боевой эффективности и реализующих заданные боевые возможности. Преимуществом ЗТ второго (гибкого) типа является относительная простота обеспечения управления и его информационной поддержки в относительно узком диапазоне условий.
При этом:
- гибкие ЗТ ГМВП, которые могут формироваться, не должны приводить к так называемым «тупиковым ситуациям», заключающимся в невозможности построения ЗТ ГМВП, при полете по которой будут выполняться ограничения, наложенные на самолет и его бортовое оборудование. Для исключения подобных ОС ЗТ ГМВП могут строиться в нескольких вариантах, например, в двух – для ЗТ облета в вертикальной плоскости и ЗТ обхода в горизонтальной плоскости. Это существенно снизит вероятности столкновения самолета с рельефом земной поверхности и между самолетами;
- ЗТ, предназначенные для предотвращения возможного наступления фатальных последствий ОС, для возврата изображающей точки в фазовом пространстве в заданную область (окрестность жесткой ЗТ) целесообразно формировать как гибкие;
- после устранения возможности появления фатальных последствий ОС должен быть осуществлен автоматический переход на ЗТ ГМВП. Система автоматического управления (САУ) должна содержать дополнительные управляющие ресурсы (органы управления) либо увеличение диапазона отклонения штатных органов управления, которые могут быть задействованы по внутренней логике САУ для ликвидации ошибок стабилизации ЗТ, гораздо раньше наступления признаков ОС, являющейся частью системы мер обеспечения БП.
Для каждой ОС необходимо ее качественное определение, выявление совокупности определяющих параметров и их границ изменения, при выходе за которые наступление рассматриваемой ОС может быть квалифицировано, что составляет содержание базы знаний о БП в режиме ГМВП. Кроме этого, процесс определения необходимой совокупности маневров для предотвращения негативных последствий ОС, составляет содержание соответствующей продукционной системы для поиска действенных решений в возникших ОС.
Для режима а) границей наступления ОС следует считать область отрицательного приращения геометрической высоты и ее производной, при попадании в которую прогнозируемое столкновение самолета с РМ считается достоверным событием. Управляющим воздействием для предотвращения аварийной или катастрофической ситуации в этом случае следует считать маневр увода в вертикальной плоскости с заданной предельной перегрузкой до выхода в заданную окрестность ЗТ МВП, при попадании в которую режим МВП может быть повторно включен.
Для режима б) границей наступления ОС следует считать область отрицательного приращения текущих параметров строя, при попадании в которую прогнозируемое столкновение самолета с соседним самолетом строя, с которым происходит сближение, считается достоверным событием. Управляющим воздействием для предотвращения аварийной или катастрофической ситуации в этом случае следует считать маневр увода в горизонтальной или в вертикальной плоскости с заданными предельными перегрузками до выхода в заданную окрестность параметров заданного места в боевом порядке, при попадании в которую может быть возобновлен режим стабилизации параметров заданного места в боевом порядке.
Для режима в) границами наступления ОС и управляющим воздействием для предотвращения аварийной или катастрофической ситуаций следует считать область, при попадании в которую прогнозируемое столкновение самолета с РМ считается достоверным событием:
- границу области отрицательных приращений геометрической высоты и ее производной для каждого самолета, (управляющие воздействия, идентичные для одиночного самолета в режиме МВП а));
- область отрицательного приращения текущих параметров строя (управляющие воздействия для предотвращения фатальных последствий как б).
Для режима г) границей наступления ОС следует считать область отрицательного приращения минимального расстояния в горизонтальной плоскости до бокового склона препятствия, относительно которого совершается режим «обход» в горизонтальной плоскости, его производной, при попадании в которую прогнозируемое столкновение самолета с РМ считается достоверным событием. В этом случае управляющим воздействием для предотвращения аварийной или катастрофической ситуации следует считать:
- маневр увода в плоскости с заданными предельными кренами и нормальной перегрузкой до выхода в заданную окрестность ЗТ обхода, при попадании в которую режим МВП «обход» может быть возобновлен;
- маневр увода по пространственной траектории с уменьшающимся до нуля креном, с переходом на маневр увода в вертикальной плоскости с последующим переходом на режим МВП с облетом препятствий в вертикальной плоскости. Т.е. самолеты группы при маневрировании в горизонтальной плоскости в режиме «обход» могут осуществлять маневры в вертикальной плоскости для предотвращения столкновений между самолетами в группе и с боковыми склонами препятствий.
Проведенный анализ возможных ОС по а)…г) можно считать исчерпывающим с точки зрения определения классов ОС и необходимых предотвращающих реакций со стороны самолета, генерируемых бортовой системой искусственного интеллекта, содержащей базу знаний декларативного типа об ОС и продукционную систему, осуществляющую выбор необходимых решений. Границы параметров ГМВП, определяющие наступление ОС, предварительно определяются расчетными методами и окончательно устанавливаются по результатам моделирования.
Литература
1. Безопасность полета ЛА. Методические основы./ Под ред. А. И. Старикова, М.: Транспорт, 1988. 159 с.
2. Красовский А. А., Ермилов А. С. Боевое применение и эффективность пилотажно-навигационных комплексов. М.: ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, 1983. 288 с.
3. Справочник вахтенного офицера. М.: Воениздат, 1976. 272 с.
4. Боднер В. А. Системы управления летательными аппаратами. М.: Машиностроение. 1973. 506 с.
5. Богуславский М. А, Арутюнов В. Л. Межсамолетная навигация и наведение самолетов. Монино, ВВА им. Ю. А. Гагарина, 1971. 219 с.
Knowledge’s base to provide safety flight during a flight on a low altitude group of planes
S. A. Kapitonov
In the article the Knowledge’s base operating on aboard to provide the flight safety during a flight on a low altitude group of planes.
Keywords: safety; group; plane; low altitude; flight; dangerous; situation; trajectory.