Фгоу впо санкт-петербургский

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОСCИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ (МИНТРАНС РОССИИ)

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ВОЗДУШНОГО ТРАНСПОРТА (РОСАВИАЦИЯ)

ФГОУ ВПО САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Методические указания и контрольные задания

Для студентов ЗФ специализации УВД

Санкт-Петербург

Одобрено и рекомендовано к изданию

Учебно-методическим советом Университета ГА

Ш87(03)

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНЫМ ДВИЖЕНИЕМ: Методические указания и контрольные задания / Университет ГА. С.-Петербург, 2007.

Составлены в соответствии с программой курса "Автоматизированные системы управления воздушным движением" ( ___ семестр).

Предназначены для студентов заочного факультета специализации УВД.

Ил. 1, табл. 1, библ. 14 назв.

Составитель И.Н.Шестаков, канд. техн. наук доц.

Рецензент В.М.Затонский, канд. техн. наук доц

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru ã Университет гражданской авиации, 2007

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

Курс "Автоматизированные системы управления воздушным движением" предназначен для формирования у студентов теоретических знаний и грамотной эксплуатации автоматизированных систем управления в процессе работы, отражает профессиональную, правовую и общенаучную подготовку. Задачей курса является изучение аппаратных и программных средств и технико-эксплуатационных характеристик автоматизированных систем управления воздушным движением (АС УВД). Изучаются основные характеристики источников информации, алгоритмы обработки информации, их реализующие технические средства, в объеме, необходимом инженеру по управлению воздушным движением в практической деятельности при эксплуатации средств автоматизации УВД.

Опорными дисциплинами являются математика, физика, теоретическая механика, электротехника, радиоэлектроника, информатика, радиотехнические и радиоэлектронные средства навигации и управления воздушным движением.

Дисциплина входит в профилирующий блок дисциплин, определяющих профессиональную подготовку специалиста.

В результате изучения дисциплины студент должен знать назначение, состав, связи в АС УВД, алгоритмы обработки информации; уметь анализировать технико-эксплуатационные характеристики; иметь представление о принципе функционирования комплексов, входящих в АС УВД, о взаимозависимости характеристик, о возможностях конкретных АС УВД и перспективах их развития.

Для успешного усвоения курса рекомендуется вести конспект, проверяя усвоение материала по вопросам для самопроверки и своевременно выполняя контрольную работу.

Учебный план предусматривает выполнение контрольной и лабораторных работ, сдачу отчета по ним и зачет по дисциплине.

Перечень лабораторных работ указан в программе. Лабораторные работы выполняются в период сессии в составе учебной группы.

Литература

Основная

1. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Новые информационные технологии в авиации: Учеб. пособие / Р.М.Ахмедов, А.А.Бибутов, А.В.Васильев и др.; Под ред. С.Г.Пятко и А.И.Красова. – СПб.: Политехника, 2004. – 446 с.: ил.

2. Бочкарев В.В., Крыжановский Г.А., Сухих Н.Н. Автоматизированное управление движением авиационного транспорта / Под ред. Г.А.Крыжановского. – М.: Транспорт, 1999. - 319 с.

3. Анодина Т.Г., Кузнецов А.А., Маркович Е.Д. Автоматизация управления воздушным движением: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1992. - 280 с.

4. Тучков Н.Т. Автоматизированные системы и радиоэлектронные средства управления воздушным движением: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1994. - 368 с.

5. Авиационные спутниковые навигационные приемники-индикаторы фирмы Trimble/ К.К.Веремеенко, А.И.Красов, А.В.Стулов, И.Н.Шестаков. М.: Изд-во МАИ, 1998. - 108 с.

Дополнительная

6. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации / Бочкарев В.В., Кравцов В.Ф., Крыжановский Г.А. и др.; Под ред. Г.А.Крыжановского. – М.: ИКЦ «Академкнига», 2003. – 415 с.

7. Автоматизированные системы управления воздушным движением: Справочник/ В.И.Савицкий, В.А.Василенко, Ю.А.Владимиров, В.В.Точилов; Под ред. В.И.Савицкого. – М.: Транспорт, 1986. - 192 с.

8. Жуков С.П. и др. Автоматизированные системы обработки информации / ОЛАГА. Л., 1980.

9. Применение автоматизированных систем для управления воздушным движением: Учебное пособие для вузов / В.М.Кейн, А.М.Красов, Г.А.Крыжановский и др. – М.: Транспорт, 1979. - 397 с.

10. Автоматизация процессов управления воздушным движением: Учебное пособие для вузов гражданской авиации / Ю.Т.Дарымов, Г.А.Крыжановский, В.А.Солодухин и др.; Под ред. Г.А.Крыжановского. – М.: Транспорт, 1981. - 400 с.

11. Грачев В.В., Кейн В.М. Радиотехнические средства управления воздушным движением: Учебное пособие для вузов. – М.: Транспорт, 1975. - 344 с.

12. Федоров С.М., Михайлов О.И., Сухих Н.Н. Бортовые информационно-управляющие системы: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1994. - 261с.

13. Финкельштейн М. И. Основы радиолокации: Учебник для вузов. – М.: Радио и связь, 1983. - 536 с.

14. Справочная литература по конкретным типам АС УВД.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1. Чем определяется рациональное распределение функций между человеком и техническими средствами в АС УВД?

2. Для чего применяется квантование РЛ сигналов?

3. Что такое «квантование сигнала по уровню»?

4. Что такое «квантование сигнала по времени»?

5. Чем характеризуется понятие «ложная тревога»?

6. Чем характеризуется понятие «пропуск цели»?

7. В чем цель первичной обработки (ПО) информации в АС УВД?

8. Какая информация и в какой форме поступает на вход устройства ПО?

9. В чем цель вторичной обработки информации (ВО) в АС УВД?

10. Какая информация и в какой форме поступает на вход системы ВО?

11. Какие признаки используются для выделения полезного сигнала на фоне помех?

12. По каким признакам идентифицируются отметки целей при ВО?

13. Для чего необходимо сглаживание и экстраполяция координат?

14. Какие модели движения цели используются при сглаживании координат?

15. Что такое коэффициент сглаживания и как выбираются его значения?

16. Как определяется скорость движения цели в АС УВД?

17. Поясните основные соотношения, используемые при скользящем сглаживании.

18. Что такое коэффициент сглаживания скорости и как выбираются его значения?

19. Что такое «строб» и как выбираются его размеры?

20. Чем определяются координаты центра «строба» и его размеры при обработке вновь поступивших данных об отметке цели?

21. Что такое «канал автосопровождения»?

22. При каких условиях осуществляется автоматический ввод цели в сопровождение?

23. При каких условиях осуществляется автоматический сброс автосопровождения?

24. Чем определяется число каналов автосопровождения в АС УВД?

25. Чем отличается канал автосопровождения от канала автозахвата?

26. Что такое «спорная ситуация», как она разрешается?

27. Общие принципы определения местоположения в спутниковых навигационных системах (СНС).

28. Возможности, предоставляемые приемо-индикаторами СНС. Основные режимы работы приемо-индикаторов.

29. Возможности дифференциального режима навигационных определений.

30. Принципы функционирования АЗН-В.

31. Структура и организация слотового пространства.

32. Вопросы документирования информации.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Теоретические сведения

Вторичная обработка информации позволяет пользователю (диспетчеру) предоставить более точную координатную информацию о ВС, а также другую дополнительную информацию как о ВС, так и о воздушной обстановке в целом. Для этого исходят из следующих знаний и предположений:

– ВС и РЛС ограничены техническими возможностями;

– ВС имеют предельные параметры движения (например, V_min … V_max);

– ВС может менять параметры движения в известных пределах (например, a_min … a_max);

– тенденции изменения параметров движения сохраняются и на следующий период наблюдений (обзора);

– достоверность полученной информации о параметрах движения ВС соизмерима с точностью информации о ВС от РЛС.

Таким образом, зная предыдущие параметры движения ВС за несколько периодов обзора, можно предположить вероятное местонахождение ВС на следующий обзор, т.е. определить координаты и размеры строба. Получив координаты ВС от РЛС, корректируем параметры движения ВС. В каждом канале автоматического сопровождения (АС) периодически (один раз за оборот антенны РЛС) уточняются параметры траектории движения цели – определяются новые сглаженные значения координат и составляющих скорости движения. Обработка ведется методом скользящего сглаживания.

Задача состоит в цифровом моделировании процессов обработки информации в одном из каналов АС.

Предполагается, что сопровождаемая цель может двигаться с некоторым ускорением. Тогда координаты и скорости в последовательные моменты измерения t_i связаны соотношениями:

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru (1)

где X_i, Y_i – прямоугольные координаты;

X'_i,Y'_i– составляющие путевой скорости;

X"_i, Y"_i – составляющие ускорения в момент t_i;

T - период вращения антенны.

Измеренные значения координат x_i, y_i отличаются от истинных X_i, Y_i из-за ошибок, вносимых РЛС и системой первичной обработки:

x_i = X_i + δ_xi; y_i = Y_i + δ_yi , (2)

где δ_x_i, δ_y_i - составляющие случайной ошибки измерения δ_i.

В процессе вторичной обработки по результатам предыдущих наблюдений вычисляются экстраполированные координаты цели для данного цикла обзора:

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru (3)

Затем находятся новые сглаженные оценки координат и скоростей:

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru (4)

где m и h – коэффициенты сглаживания, соответственно, координат и скорости.

Точность измерения координат характеризуется среднеквадратичной ошибкой s₁ или дисперсией D₁:

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru ; . (5)

В результате вторичной обработки получаются сглаженные оценки координат с ошибкой s₂:

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru ; , (6)

где фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru ;

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru . (7)

Процесс автоматического сопровождения цели обязательно включает в себя идентификацию (отождествление) отметки, для чего анализируется информация, поступившая на очередном обзоре (координатная и № борта при наличии ответчика ВРЛ). Идентификация активных отметок происходит по № борта и для уточнения по координатам. Для идентификации пассивных отметок используется строб.

Если в строб попадает, кроме истинной i, также и ложная f цель (подобная ситуация называется спорной), то вычисляется значение решающей функции:

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru ,

где x_с и у_с - координаты центра строба;

x_f и y_f - координаты ложной цели.

Сначала следует проверить выполнение неравенства |F| ≥ F_o. При его выполнении идентификация производится по знаку решающей функции.

Задание

Численные значения параметров движения цели и АС УВД выбираются по шифру слушателя n₁, …n₅:

T = 2 + n₅, c;	∆ = 700, м;
X_o= 10⁴(n₄ – 4), м;	m = 0,05 (1 + n₅);
Y_o = 10⁴(n₃ – 3), м;	h = 0,05(1 + n₄);
X'_o = 60 (n₂ – 2), м/c;	x_сo = X_o;
Y'_o = 300 – \|X_o\|, м/c;	x_сo = X'_o;
X" = 0,02 (n₁ – 1), м/c²;	y_сo = Y_o;
Y" = 0,05(n₅ – 5), м/c²;	y_сo = Y'_o.

На десятом (i = 10) обзоре (обороте антенны РЛС) появляется ложная цель, имеющая координаты X_f = x₁₀ + 50 n₄, м; Y_f = y₁₀ + 50 n₅, м.

Строб имеет форму квадрата со стороной ∆c = 1000 м.

Величина F_o равна 10000 м² .

Требуется

1. Для 10 циклов обзора:

- построить истинную траекторию движения цели;

- построить измеренную траекторию движения цели;

- построить экстраполированную траекторию движения цели;

- построить сглаженную траекторию движения цели.

2. Найти среднеквадратичные ошибки измерения и оценки координат.

3. Пояснить, как влияет изменение коэффициентов сглаживания на ошибку оценки координат.

4. Определить, имеет ли место на десятом обзоре спорная ситуация, и, если имеется, разрешить ее.

Методические указания

Прежде всего находятся численные значения параметров для данного варианта задания. Например, шифр слушателя УВД-15049.

Тогда:

T = 2 + 9 = 11 c;

X_o = 10⁴(4 – 4) = 0 м;

Y_o = 10⁴(0 – 3) = - 30000 м;

X'_o = 60 (5 – 2) = 180 м/c;

Y'_o = 300 – 180 = 120 м/c;

X" = 0,01 (1 – 1) = 0 м/c²;

Y" = 0,05 (9 – 5) = 0,2 м/c²;

∆ = 700 м;

m = 0,05(1 + 9) = 0,5;

h = 0,05 (1 + 4) = 0,25;

x'_сo = 180 м/c;

y'_сo= 120 м/c.

Истинная траектория движения цели находится по формулам (1).

При подстановке в правую часть X_o, X'_o, X_o" вычисляются X₁ и X'₁, затем по этим данным t, X₂, X'₂ и т.д. Результаты сводятся в таблицу, где надо сразу оставить место для величин δ_xi, δ_yi и других, вычисляемых в соответствии с заданием.

Для получения измеренных значений координат нужно моделировать ошибки измерения – случайные величины, равномерно распределенные на отрезке – Δ ≤ δ_i ≤ 0. Поскольку δ_i= (δ_xi + δ_yi)^0,5, ошибки δ_xi и δ_yi должны быть распределены на отрезках – Δ_x≤ δ_xi ≤ Δ_x, – Δ_y ≤ δ_yi ≤ Δ_y , причем фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru .

Проще всего моделируются случайные величины с равномерным распределением в диапазоне D < a_i< 1. Для этого могут быть использованы специальные механические устройства, например, волчок из правильного картонного десятиугольника, грани которого помечены десятичными цифрами (в произвольном порядке). При использовании ЭВМ удобно пользоваться специальными алгоритмами генерирования псевдослучайных последовательностей. Простейший из них имеет вид: a_i= {M a_i-1}, где М – постоянная; фигурные скобки обозначают дробную часть числа М a_i-1_.

Величина М должна быть достаточно большой и некруглой (например, М = 63,871), тогда последовательные значения a_i будут слабо зависеть друг от друга. Начальное значение a_o также целесообразно выбирать некруглым (например, a_o= 0,236). Для перехода к величинам δ_xi и δ_yi, равномерно распределенным на отрезках [-Δ, +Δ], используется линейное преобразование:

δ_xi = 2Δ_x (a_i – 0,5); d_yi = 2Δ_y (a_k - 0,5).

Величины d_xi, d_yi, полученные любым из указанных способов, заносятся в таблицу. При этом их целесообразно округлять до целых чисел. Измеренные значения координат x_i, y_i находятся по формулам (2) и также заносятся в таблицу с округлением до целых чисел.

Начальные значения сглаженных параметров движения x_со, x'_со, y_со, y'_со определены заданием. По ним в соответствии с выражениями (3) и (4) вычисляются экстраполированные координаты х_э1 и у_э1 , а затем новые сглаженные значения х_с1, у_с1, х'_с1, у'_с1. Точно так же выполняются последующие циклы обработки до заполнения всей таблицы. При знаниях программирования удобно использовать соответствующую циклическую программу. Заметим, что одна и та же программа может использоваться сначала для вычисления последовательных значений координаты х₁, х₂, …., х_n, а затем для вычисления значений у₁, ……, y_n. Пример программы на языке БЕЙСИК приводится далее.

Значения ошибок оценки (два последних столбца таблицы) находятся по формулам (7). После заполнения всех десяти строк по формулам (5) и (6) вычисляются среднеквадратичные ошибки измерения и оценки координат. Истинная, измеренная, экстраполированная и сглаженная траектории наносятся на график. Желательно пользоваться миллиметровой бумагой.

Пример

Пусть

Т= 10 с;

Х_o = 10000 м;

У_o = 2000 м;

X'_o= 200 м/с;

У'_o = – 100 м/с;

Х'' = – 1 м/с²;

У'' = 0 м/с²;

m = 0,6;

h = 0,3;

∆_x = ∆_y = 500 м.

Пользуясь приведенными указаниями, нужно занести исходные данные и результаты расчетов в таблицу (заполнить 11 строк). Пары значений Х_i, У_i; х_i, у_i ; х_эi, у_эi и х_сi, у_сi позволяют построить на графике (рис.) соответственно истинное, измеренное, экстраполированное и сглаженное место цели на каждом цикле обработки. Обратите внимание на рациональный выбор масштабов, чтобы график был достаточно наглядным.

Заметим, что в первой строке экстраполированные координаты не могут быть вычислены, так как для этого понадобились бы величины х_с-1, у_с-1, х'_с-1 и у'_с-1_.

фгоу впо санкт-петербургский - student2.ru

При анализе спорной ситуации прежде всего необходимо проверить условия попадания ложной отметки в строб:

|X_f – x_c| ≤ 0,5∆c; |Y_f – y_c| ≤ 0,5∆c,

а затем вычислить значение решающей функции. Результат следует пояснить рисунком, где в масштабе изобразить положение строба, измеренные координаты и координаты ложной цели.

Таблица

δ_x

δ_y

x_c

y_c

x'_c

y'_c

х_э

y_э

g_x

g_y

м/c