Визначення параметрів руху літального апарату під час розслідування авіаційних подій

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ УКРАЇНИ

Київський міжнародний університет цивільної авіації

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ВИЗНАЧЕННЯ ПАРАМЕТРІВ РУХУ ЛІТАЛЬНОГО АПАРАТУ ПІД ЧАС РОЗСЛІДУВАННЯ АВІАЦІЙНИХ ПОДІЙ

Годованюк Ганна Валентинівна

Київ - 1999

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Київському міжнародному університеті цивільної авіації Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ударцев Євген Павлович, КМУЦА, завідуючий кафедрою аеромеханіки та динаміки літальних апаратів.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук Папченко Олег Михайлович, Авіаційний науково-технічний комплекс ім. О.К. Антонова, головний інженер ЛВДБ; кандидат технічних наук, доцент Куценко Олександр Васильович, Державна льотна академія України, доцент кафедри льотної експлуатації, аеромеханіки і динаміки польоту

Провідна установа:

Державний аерокосмічний університет ім. Н.Є. Жуковського (ХАІ)

Захист відбудеться '' 21 '' жовтня 1999 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.062.05 при Київському міжнародному університеті цивільної авіації за адресою:

252058 м. Київ - 58, проспект Космонавта Комарова, 1, КМУЦА, корп. 1, актовий зал.

З дисертацією можна ознайомитись у науково - технічній бібліотеці при Київському міжнародному університеті цивільної авіації за адресою:

252058 м. Київ - 58, проспект Космонавта Комарова, 1, НТБ КМУЦА.

Автореферат розісланий '' 10 '' вересня 1999 р.

Вчений секретар

спеціалізованої ради ________________ Баскакова А.Г.

1. Загальна характеристика роботи

В забезпеченні безпеки польотів (БП) повітряних суден (ПС) велике значення має своєчасне і якісне розслідування авіаційних подій (АП). Перспективним методом у даному напрямку є математичне моделювання. Щонайбільше поширення знайшло моделювання для визначення найбільш імовірної траєкторії польоту літака від моменту виникнення аварійної ситуації до моменту її завершення. Одним із шляхів підвищення точності проведених розрахунків, при опрацюванні польотних даних, є процедура узгодження польотної інформації і відновлення параметрів ПС, які не були зареєстровані засобами об'єктивного контролю (ЗОК).

Актуальність проблеми. При проведенні аналізу АП необхідно вирішувати задачу оцінки кінематичних параметрів у просторовому русі ПС. Розробка методики опрацювання польотних даних, яка без поліпшення точностних характеристик бортової вимірювальної апаратури та апаратури, що реєструє, дозволила б підвищити достовірність оцінок є актуальною задачею. У роботі це досягається шляхом побудови оцінок, що з максимально можливою точністю задовольняють зв'язкам у вигляді кінематичних рівнянь Ейлера й інших кінематичних і геометричних співвідношень, а також рівнянь руху центру мас у формі, що містить лише проекції перевантаження та кінематичні параметри.

У зв'язку з тим, що причиною виникнення деяких АП на посадці є перевищення посадочної маси літака і порушення обмежень щодо гранично переднього центрування, актуальною є також задача одержання достовірної оцінки цих параметрів та якості пілотування, яка розв'язується на підставі аналізу об'єктивних даних польоту і математичного моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тематика дисертаційних досліджень відповідає напрямку діяльності ІКАО (Док. 9642 - AN/941), а також ряду указів Президента України, що стосуються діяльності цивільної авіації (ЦА) і направлених на розробку заходів щодо забезпечення БП, впровадження в діяльність ЦА передових технологій, забезпечення наукового супроводу розвитку ЦА: ''Про невідкладні заходи щодо впорядкування державного регулювання діяльності авіації в Україні'' від 21 листопада 1996 року; ''Про невідкладні заходи щодо забезпечення безпеки авіації України'' від 15 січня 1998 року. Робота входить у планові дослідження, виконані в Київському Міжнародному університеті ЦА на кафедрі аэромеханіки і динаміки польоту літальних апаратів.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є: підвищення достовірності оцінок параметрів польоту літака за даними розшифрування інформації ЗОК для аналізу АП і відпрацювання рекомендацій до їхнього запобігання. Виконання поставленої мети включає розв'язання таких задач:

- розробка алгоритмів узгодження і відновлення кінематичних параметрів руху ПС на основі використання апріорних аналітичних зв'язків між ними;

- розвиток методу узгодження В. Клейна, заснованого на застосуванні нелінійного фільтру Калмана;

- розробка алгоритму оцінки посадочної маси і центрування ПС;

- застосування розроблених методик і алгоритмів до розслідування конкретних АП.

Наукова новизна роботи. Наукова новизна роботи полягає в наступному:

- розроблено узагальнену модель похибки виміру і реєстрації кінематичних параметрів руху ПС;

- розроблено методику і алгоритми узгодження і відновлення кінематичних параметрів на основі використання відомих аналітичних співвідношень між параметрами, що дозволяє перетворити надмірність, що міститься в цих зв'язках у підвищену точність оцінок;

- розроблено процедуру послідовної оптимізації при визначенні похибок, узгодження і відновлення параметрів польоту, а також послідовного уточнення оцінок;

- розроблено модифікацію алгоритму нелінійної калмановської фільтрації, яка застосовувалась в задачах узгодження польотної інформації В. Клейном, на випадок, коли вхідні параметри вимірюються і реєструються з похибками;

- розроблено метод й алгоритм оцінки польотної маси і центрування літака на основі використання алгоритму узгодження польотних даних і математичної моделі польоту літака.

Практична цінність отриманих результатів. Практична цінність отриманих результатів полягає в тому, що розроблені методики та алгоритми узгодження і відновлення кінематичних параметрів, оцінки польотної маси і центрування літака підвищують достовірність оцінки параметрів польоту при розслідуванні АП без удосконалення вимірювально-реєструючого бортового обладнання. Практичну цінність мають результати, що були отримані на основі застосування розроблених алгоритмів до аналізу конкретних АП на прикладі яких, продемонстрували свою працездатність і високу ефективність. У роботі показано, що нелінійний варіант узагальненого фільтра Калмана, який запропоновано, дозволяє отримувати оцінки як вхідних, так і вихідних змінних, що значно розширює можливості застосування цього методу.

Особистий внесок. У роботах, виконаних у співавторстві, теоретичні дослідження, розробка алгоритмів і проведення розрахунків виконані самостійно. Загальна постановка задач і вибір методів досліджень належать професору Е.П. Ударцеву і доценту Г.Н. Боярському. Обговорення й узагальнення отриманих результатів проводилося разом із співавторами.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідались на Міжнародній конференції ''Розвиток легкомоторної авіації'' (жовтень 1995 р., Київ), Міжнародної науково-технічної конференції ''Сучасні науково-технічні проблеми цивільної авіації'' (травень 1996 р., Москва), Міжнародної науково-практичної конференції ''Забезпечення безпеки польотів у нових економічних умовах'' (травень 1997 р., Київ). Хід виконання і результати роботи доповідались на засіданнях кафедри аеромеханіки і динаміки польоту літальних апаратів КМУЦА.

Публікації. Основні положення дисертації і результати досліджень відображено у 9 публікаціях, в тому числі 5 із них у збірниках наукових праць, 1 депонована стаття й у 3 тезах конференцій.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (98 найменувань). Робота викладена на 154 сторінках комп'ютерного набору тексту, містить 2 таблиці і 32 малюнка.

2. Основний зміст роботи

Перший розділ присвячено стислому аналізу результатів наукових досліджень в області моделювання динаміки польоту ПС, що доводить важливість обраного напрямку для розв'язання експлуатаційних задач. Розглядаються питання, пов'язані з особливостями постановки задачі узгодження кінематичних параметрів при польоті в неспокійній атмосфері, використання апріорних аналітичних зв'язків при опрацюванні польотної інформації, математичного представлення похибок експериментальних даних.

При формулюванні і розв'язанні задач узгодження польотної інформації в якості апріорних аналітичних зв'язків використовуються відомі рівняння, що описують рух ПС. До них відносяться, рівняння руху центру мас (1), кінематичні співвідношення Ейлера (2):

; ;

; (1) ; (2)

; ;

кінематичні співвідношення, що визначають положення центру мас:

;

; (3)

,

а також скінчені співвідношення, що зв'язують кінематичні параметри:

;

; ; ; (4)

; ; .

Рівняння (1) - (4) записані в зв'язаній системі координат, де , , - проекції швидкості центру мас на осі координат; , , , , , - проекції вектора перевантаження і вектора кутової швидкості на ці ж осі; , , - кути крену, тангажу і курсу; - кут атаки щодо будівельної осі літака; - кут ковзання; - кут нахилу траєкторії.

Рівняння (1) - (4) справедливі при двох припущеннях: (I) ПС розглядається як абсолютно жорстке тіло, і (II) політ відбувається в спокійній атмосфері. Коли ці припущення виконуються, рівняння (1) - (4) є ''точними'' і можуть використовуватися для оцінки похибок виміру, тобто для розв'язання задачі узгодження польотних даних. Якщо хоча би одна з умов (I), (II) порушена, розв'язання задачі узгодження даних на основі тільки рівнянь (1) - (4) стає проблематичним. У роботі показано, що при мінімальних припущеннях про структуру похибок виміру і реєстрації у випадку польота в неспокійній атмосфері, відокремити вітрову складову у вимірах швидкості, кутів атаки і ковзання від похибок, використовуючи тільки згадані вище рівняння зв'язку, не можливо. При польоті в турбулентній атмосфері з припущенням про наявність конкретної структури спектральних щільностей турбулентної складової вітру задача узгодження польотних даних є змістовною, але її розмірність істотно збільшується, рівняння зв'язку в цьому випадку є стохастичними диференціальними рівняннями (що виправдує застосування для опрацювання даних методів фільтрації), а в перелік ідентифікованих параметрів повинні додаватись параметри, що характеризують турбулентність (масштаби і дисперсії). Таким чином, запропонований у роботі метод узгодження може застосовуватися при польоті в спокійній або слабо збуреній атмосфері.

Методи опрацювання експериментальної інформації істотно залежать від математичних моделей похибок, що постулюються заздалегідь. Вдалий вибір моделей похибок дозволяє більш-менш успішно вирішити задачу оцінювання параметрів. При наявності випадкових і систематичних похибок у якості найбільш простої і поширеної моделі вимірювання, вважається модель, використовувана В. Клейном і Дж. Шиссом:

,

де - вимірювальне значення -го параметра,

- дійсне значення -го параметра,

- випадкова похибка така, що ;;

- мультиплікативна похибка;

- аддитивна похибка;

- сдвигова похибка;

- -функції Дірака;

- операція обчислення математичного чекання. При виборі моделі вимірювання в деяких випадках, коли є бажання максимально автоматизувати процедуру обробки даних, моделі вимірювання містять складові що відображають можливу наявність аномальних похибок. Існує декілька засобів урахування аномальних похибок, коли опрацювання даних відбувається в автоматичному режимі, у тому числі:

;

;

,

де - аномальна похибка;

- реалізація двоічної функції: .

Слід зазначити, що запропонована в роботі узагальнена модель похибки не враховує викиди. Інтегральний характер методу, що розроблено у третьому розділі зменшує вплив аномальних похибок, але не виключає їх цілком. літак авіаційний повітряний

Другий розділ присвячено модифікації фільтру для опрацювання польотної інформації з урахуванням нелінійних зв'язків. Модифікований фільтр дозволяє підвищити ефективність методик обробки польотних даних, що застосовувались в роботах В. Клейна, Дж. Шисса та інших авторів. Розглядається узагальнення результатів, отриманих у роботах В.А. Касьянова й У-Сэнь-Тана, на випадок, коли математична модель динамічного об'єкта представляється нелінійним диференціальним стохастичним рівнянням. Модель вимірів також вважається нелінійною. Передбачається, що шуми вимірів і неконтрольований випадковий вплив на об'єкт у виді випадкового процесу входять у відповідні співвідношення лінійним способом. Для одержання алгоритму фільтрації застосовується метод максимальної апостеріорної вірогідності (МАВ) і метод поточної лінеаризації, у відповідності з котрим моделі об'єкта і вимірів лінеаризують на кожному кроці щодо оцінок, отриманих на попередньому -ому кроці. Обмеженість отриманих результатів полягає в тому, що вдалося розглянути лише одномірний випадок, але поширення результатів на багатомірний варіант не представляє принципових утруднень.

Рівняння нелінійного одномірного об'єкта з дискретним часом і вимірів приймаються у вигляді:

; ; , (5)

де - стан об'єкта; - вхідні змінні, що не спостерігаються;

і - величини, що спостерігаються;

, - нелінійні функції, що мають неперервні перші похідні;

, , - дискретні білі шуми, що задовольняють умовам.

Размещено на Allbest.ru