Бортовые информационные системы летательных аппаратов

Бортовые информационные системы летательных аппаратов

На своей основной работе занимаюсь разработкой бортовых информационных систем для летательных аппаратов. Тема очень интересная, но слишком обширная для одного топика. Так что я начну с самых основ и первую свою статью на хабре посвящу общему описанию бортовой аппаратуры воздушного транспорта.

• система измерения параметров двигателей;
• барометрические и радиолокационные высотомеры;
• измерители воздушной скорости;
• датчики температуры и давления;
• инерциальная навигационная система;
• и т.п.

В задачи систем сбора данных (ССД) входит измерение различных сигналов и физических величин, характеризующих состояние летательного аппарата (ЛА). Как правило такая система состоит из одного или нескольких датчиков подключенных к вычислительным блокам. Каждый вычислительный блок представляет из себя небольшую маломощную ЭВМ, в которой данные от датчиков фильтруются, обрабатываются и преобразуются к стандартизованному коду (например, ГОСТ 18977-79).

• комплексный пилотажный индикатор;
• комплексный индикатор навигационной информации;
• пульт управления;
• индикатор на лобовом стекле;
• нашлемная система индикации;
• и т.п.

Системы отображения информации (СОИ) выдают членам экипажа пилотажную и навигационную информацию, данные от радионавигационных систем, систем автоматического пилотирования и т.п. Также они обеспечивают двусторонний обмен данными между бортовыми информационными системами ЛА и членами экипажа. В современных летательных аппаратах устанавливаются индикаторы на основе цветных жидкокристаллических матриц, специальным образом доработанных для возможности применения в жестких климатических условиях и при прямой солнечной засветке. В состав индикаторов также входят процессорный модуль, графический контроллер и разнообразные интерфейсы связи — по сути это полноценный компьютер с собственным дисплеем, а часто и клавиатурой в виде кнопочного обрамления. Пульт управления отличается от индикатора расширенной клавиатурой и довольно скромным дисплеем. Индикатор на лобовом стекле и нашлемная система индикации являются первыми в истории системами дополненной реальности. Их функции схожи с жидкокристаллическими индикаторами, отличается лишь сам принцип отображения — картинка рисуется на почти прозрачных экранах проекционным методом.

• радиотехническая система ближней навигации;
• система посадки;
• спутниковая навигационная система;
• система предупрежения столкновений;
• и т.п.

Основными функциями неавтономных радионавигационных систем является вождение летательных аппаратов по курсу, привод на аэродром, помошь при заходе на посадку. Такие системы состоят из двух частей: системы радиомаяков на земле (также на борту других ЛА или КА) и приёмников на борту ЛА, который по параметрам принятого от радиомаяка сигнала, определяет направление на данный радиомаяк. Радиомаяки ведут вещание на немного разных частотах в пределах четко фиксированных диапазонов, что даёт возможность настроиться на конкретный радиомаяк.

• автоматический радиокомпас;
• радиовысотомер;
• доплеровский измеритель скорости и угла сноса;
• метеонавигационная РЛС;
• и т.п.

Автономные системы радионавигации, в отличае от неавтономных не требуют для своей работы внешних источников сигнала. Передатчики и приёмники таких систем находятся на одном и том же ЛА. Их задача — определение характеристик полёта воздушного судна радиолокационным методом.

• система дальней радиосвязи;
• система ближней радиосвязи;
• система внутренней связи между членами экипажа;
• радиолокационный ответчик системы управления воздушным движением;
• система спутниковой связи;
• система аварийной связи.

Для связи в пределах прямой видимости применяется СВЧ-радиостанции. Для дальней связи (от 300 до 3000 км) применяется ВЧ-радиостанция, также в ВЧ диапазоне работает и система аварийной связи. Общение между членами экипажа ЛА осуществляется по проводной связи. Радиолокационный ответчик УВД предназначен для передачи информации о местоположении ЛА службам управления воздушным движением. Он состоит из двух приёмопередатчиков работающих на верхние и нижние килевые антенны. При приёме запроса от наземных служб, ответчик формирует и отправляет информационное слово состоящее из текущих координат ЛА, высоте полета, скорости, а в отечественных системах ещё и об остатке топлива на борту ЛА.

• автоматическая система повышения устойчивости и управляемости;
• вычислительная система управления полётом;
• вычислительная система управления тягой;
• вычислительная система самолетовождения.

Системы автоматического пилотирования предназначены для повышения безопасности полета ЛА. Данные системы уменьшают колебания ЛА по всем осям, автоматически балансируют ЛА, согласовывают отклонение управляющих плоскостей, снижают влияние турбулентности, а также снижает нагрузку на рычагах управления. Также в задачи данных систем входит авоматический полёт ЛА по маршруту, автоматическая посадка, а в режиме ручного полёта — прокладывание оптимального маршрута движения ЛА. В зависимости от типа ЛА, на нём может присутствовать специфическое для него оборудование. Например на гражданских пассажирских ЛА имеется система громкой связи и развлекательная мультимедийная система. На военных ЛА можно обнаружить систему управления вооружением, прицельные и разведывательные комплексы, радиолокационные станции, специфические пилотажно-навигационные системы.

Надеюсь тема окажется интересна хабрасообществу. В дальнейшем планирую написать подробнее по каждой из систем, в особенности по системам отображения, а также описать основные тенденции в развитии отечественной и зарубежной авионики.

1. «Радиотехнические системы» Казаринов Ю.М., Москва, 1990 2. «Авиационные приборы и системы» Клюев Г.И., Ульяновск, УлГТУ, 2000 3. «Справочник пилота и штурмана гражданской авиации» Васин И.Ф., Москва, 1990UPD:

Вставил красивую картинку (найдена на просторах интернета)UPD2: Добавил метеолокатор (спасибо Rayslava)UPD3,4: Исправил несколько ошибок в тексте (благодарности spacediver и Ermak)

ТЕМА 1.1. АВИАЦИОННАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА

ВВЕДЕНИЕ

В выполнении задач, стоящих перед гражданской авиацией, важное место принадлежит инженерно-авиационной службе (ИАС), основным назначением которой является решение комплекса задач технической эксплуатации летательных аппаратов и обеспечение технического прогресса в авиации.

Под технической эксплуатацией летательных аппарате принято понимать комплексную систему инженерно-технических и организационных мероприятий, обеспечивающих наиболее эффективное использование возможностей летательных аппаратов, высокую их надежность и безопасность полетов, минимальные простои при техническом обслуживании и ремонте, а также высокий процент исправности и готовности к полету и снижение себестоимости технического обслуживания.

Техническая эксплуатация включает: техническое обслуживание и подготовку летательных аппаратов к полету; обеспечение технически грамотной с максимальной экономической эффективностью эксплуатации авиационной техники в полете; научно-исследовательские работы, направленные на совершенствование организационных форм и методов технической эксплуатации летательных аппаратов.

Наряду с решением задач в области технической эксплуатации летательных аппаратов ИАС гражданской авиации принимает непосредственное участие в со­вершенствовании авиационной техники и прежде всего в повышении ее надежности и улучшении эксплуатационно-ремонтной технологичности. Эта работа проводится путем разработки и предъявления требования к ОКБ на летательные аппараты, участия в доводке повой техники на стадии приема в эксплуатацию и в процессе эксплуатации. ИАС призвана также совершенствовать организационные формы и методы технического обслуживания и подготовки летательных аппаратов к полету, внедрять новые средства механизации и автоматизации производственных процессов, совершенствовать управление производством.

Курс технической эксплуатации летательных аппаратов является специальной научной дисциплиной широкого профиля, завершающей формирование будущего авиаспециалиста. Он базируется на знании у обучающихся предшествующих спе­циальных. Эти дисциплины находят в курсе технической эксплуатации свое логическое воплощение.

ТЕМА 1.1. АВИАЦИОННАЯ ТРАНСПОРТНАЯ СИСТЕМА

Интенсивное развитие авиации обусловливает разработку методов комплексной оценки ВС на безопасность на всем пути его создания и эксплуатации, которые позволили бы количественно оценить степень влияния на безопасность полетов различных факторов. Для этой оценки необходимо прежде всего рассмотреть структуру и характеристики АТС.

Структурно АТС включает следующие элементы (рис. 1.1): экипаж, ВС, систему летной и технической эксплуатации, систему обеспечения полетов, систему УВД. Применяя далее системный подход к рассмотрению проблемы безопасности полетов, отдельные элементы АТС или их сочетание, в свою очередь, можно рассматривать как самостоятельную систему, например «Экипаж — ВС» («Э — ВС»),

В течение всего времени полета в тесной взаимосвязи с системой «Э- ВС»,

Рис.1.1. Структура авиационно-транспортной системы

Техническая сложность современной АТС, многочисленность личного состава служб, участвующих в организации, подготовке, выполнении и обеспечении полетов, эксплуатация самолетов в широком диапазоне погодных и климатических условий порождают многообразие факторов, влияющих на конечный исход полета.

При рассмотрении влияния этих факторов на безопасность полетов в АТС необходимо познакомиться с понятием «авиационная эргономика».

Понятия об авиационной эргономике

Это научная дисциплина, объектом исследования которой является эргатическая система «Оператор — машина — среда». Под понятием «оператор» понимается действующее лицо, вовлеченное в управление самолетом с его системами. Понятием «машина» определяются устройства, предназначенные для преобразования информации, энергии, вещества. Понятие «среда» включает все внешнее окружение, воздействующее на оператора и машину. Среда — это микроклимат, световой и цветовой кли­мат, внешняя информация и др.

Эргономика рассматривает во взаимосвязи технические объекты и психофизиологические возможности человека- оператора, управляющего системой. Таким образом, авиационная эргономика — это специфическая ветвь кибернетики, изучающая общие принципы, процессы и законы управления в эргатических системах в целях наиболее эффективного построения и применения этих систем.

Главная цель авиационной эргономики — научное обоснование и выработка для конструкторов, проектировщиков, технологов, организаторов производства и эксплуатационников рекомендаций по созданию и применению оптимальных эргатических систем, исходя из технических требований на систему.

Факторы, влияющие на безопасность полетов

АТС может рассматриваться как сложная система, каждый элемент (подсистема) которой включает машинные и человеческие звенья, то есть является типичной человеко-машинной подсистемой с ее специфическими свойствами. Практически для всех элементов АТС могут быть названы общие факторы, определяющие надежность функционирования этих элементов, а следовательно, и влияющие на безопасность полетов. К ним относятся:

· уровень технической оснащенности подсистемы (службы); функциональная эффективность технических средств; надежность технических средств;

· уровень организации функционирования подсистемы (службы) ;

· профессиональная подготовка операторов; уровень дисциплины операторов; психофизиологическое состояние операторов; уровень контроля качества функционирования элементов и системы (службы) в целом.

Многочисленную совокупность факторов, влияющих на безопасность полетов, можно представить тремя группами: технические, человеческие ивнесистемные.

Эти факторы, соответственно, определяются надежностью или отказами авиационной техники, ошибками авиационного персонала и неблагоприятными внешними условиями полета.

Все подсистемы АТС вносят определенный вклад в обеспечение безопасности полетов. Но вместе с тем в этом обеспечении нужно учитывать особую, определяющую роль подсистемы «Э — ВС». Это обусловлено тем, что, во-первых, эта подсистема непосредственно выполняет полет и она самая сложная из всех подсистем в техническом отношении; во-вторых, все остальные подсистемы (службы) в своем влиянии на безопасность полетов опосредствованы действиями летного экипажа.

Вторую группу системных факторов — человеческие — можно определить как нарушения, ошибочные действия или бездействие лиц, связанных с организацией, подготовкой, выполнением и обеспечением полетов. В таком понимании эти небла­гоприятные факторы выступают как следствие вполне конкретных причин, заложенных в индивидуальных характеристиках людей. Применительно к подсистеме «Э — ВС», в соответствии с общей схемой подхода к установлению факторов, в качестве этих причин рассматриваются такие, которые определяют возможности членов экипажа успешно управлять ВС, а именно — профессиональный уровень, психофизиологическое состояние, дисциплинированность, личные качества членов экипажа.

К внесистемным факторам — факторам внешней среды — относятся такие, которые не зависят от внутренних свойств АТС. К ним можно отнести:

· сильный ветер, гроза, кучево-дождевая облачность, град, туман, пыльная буря, интенсивное обледенение самолета, атмосферная турбулентность и др.;

· наличие в воздушном пространстве (зоне, где осуществляются полеты) птиц, радиозондов, летательных аппаратов, других инородных тел, создающих опасность столкновения с ними.

К внесистемным факторам также относятся факторы, природа которых не установлена.

Следует отметить, что во многих случаях выделить строго, где виновата техника, провоцирующая ошибки человека, а где виноват сам человек, не представляется возможным. Поэтому все авиационные происшествия, произошедшие из-за ошибок, часто квалифицируются по категории человеческого фактора, то есть часть вины с техники человек берет на себя.

Авиационное происшествие происходит, как правило, в результате возникновения в полете нескольких неблагоприятных факторов, последовательно усложняющих ситуацию и приводящих в конечном счете к потере ВС с гибелью или без гибели людей, то есть к катастрофе или аварии.

Таким образом, авиационное происшествие является в большинстве своем сложным событием, то есть чаще всего оно возникает не по простейшей схеме: причина — следствие, а является замыкающим событием в цепочке причинно-следственных связей.

Нормирование летной годности

Инерциальная опорная система/IRS

IRS обеспечивает базовую привязку курса и ориентации, основываясь на вычислениях с помощью акселерометра и лазерного гироскопа. Используются три акселерометра и три лазерных гироскопа. Акселерометры и лазерные гироскопы бесплатформенного типа расположены в инерциальных опорных узлах таким образом, чтобы находиться вдоль каждой из трех осей самолета. Эта ориентация позволяет IRU воспринимать ускорения вдоль и вращение вокруг каждой из трех осей. Компьютерная анализирует сигналы от всех шести датчиков и определяет основные опорные сигналы курса, информацию о текущем положении, ускорении, скорости движения, угле дрейфа и скорости ориентации. Для правильной работы IRS должна быть выровнена. Выравнивание IRS включает определение местной вертикали и начального курса.

Выравнивание IRS состоит из определения местной вертикали и начального курса. Для выравнивания используются входы акселерометра и лазерного гироскопа. Расчеты выравнивания основываются на том, что единственное ускорение во время выравнивания обусловлено гравитацией Земли; единственное движение во время выравнивания обусловлено вращением Земли. Ускорение, вызванные гравитацией, всегда перпендикулярны поверхности земли и, таким образом, определяют локальную вертикаль. Эта локальная вертикаль используется для построения данных об отношении таким образом, чтобы они были точно привязаны к вертикали. Первоначально устанавливается только грубая вертикаль. После того, как вертикаль установлена, лазерный гироскоп считал скорость Земли и использовал ее для установления курса самолета. По мере того как выравнивание продолжается, вертикальная ось и курс продолжают уточняться.

Ориентация вертикальной оси отсчета положения относительно земной поверхности основана на положении самолета, вводимом в IRU. Ввод начальной позиции выполняется в любое время в течение периода выравнивания. Зондирование скорости Земли лазерными гироскопами позволяет IRU определять начальную широту. Эта определенная гироскопом широта сравнивается с введенной экипажем широтой. Введенная долгота сравнивается с последней сохраненной долготой. Для завершения периода выравнивания необходимо, чтобы показатели совпали. В течение периода выравнивания все выходные данные IRU, за исключением текущего положения, устанавливаются в значение NCD (без расчетных данных). Минимальная продолжительность режима выравнивания составляет 10 минут.

В режиме навигации IRU обеспечивает данные для ориентации, курса, текущего положения, ускорения, угла положения, угла дрейфа, скорости движения по земле и данные о ветре. Эти данные получают по датчика гироскопа и акселерометра. Исходные сигналы ориентации, курса и скорости изменяются по сигналам датчиков для установления текущих параметров в реальном времени посредством интеграции и компьютерных вычислений. Дополнительные расчеты с помощью компьютера определяют: текущее положение, скорость движения и угол дрейфа. Входящие сигналы от компьютеров по воздушным данным используют для инерционного плавного набора высоты, высоты над уровнем моря и скорости/направления ветра (истинной воздушной скорости).

Каждый IRU содержит три акселерометра, по одному для каждой из трех осей: продольной, боковой и вертикальной. Ускорение вдоль входной оси перемещает чувствительную массу. Емкостный датчик преобразует изменение положения в электрический сигнал ошибки на сервоусилитель. Сервоусилитель обнуляет сигнал ошибки, возвращая чувствительную массу в нулевое положение с помощью дроссельной катушки. Ток в дроссельной катушке, необходимый для обнуления сигнала ошибки, является аналоговым выходным сигналом, представляющим ускорение.

Аналоговый выходной сигнал получается один раз, чтобы определить скорость и во второй раз, чтобы определить расстояние.

Датчик температуры предусмотрен для каждой оси (X, Y, Z) для повышения точности акселерометра. Каждый датчик подает сигнал, пропорциональный температуре. Этот сигнал используется IRU для компенсации и коррекции данных датчика.

Кольцевой лазерный гироскоп использует лазерный луч для измерения углового вращения. Каждый гироскоп представляет собой треугольный гелий-неоновый лазер, который производит два световых луча, один из которых движется по часовой стрелке, а другой — против. Производство световых пучков, или генерация, происходит в газоразрядной области путем ионизации смеси низкого давления гелий-неонового газа с высоким напряжением для получения тлеющего разряда. Свет, произведенный от генерации, отражается вокруг треугольника зеркалами в каждом углу треугольника, чтобы произвести лучи света по часовой стрелке и против часовой стрелки.

Длина пути вокруг полости тщательно контролируется и регулируется таким образом, чтобы она была равна интегральной длине волны лазера пиковой мощности.

Когда лазерный гироскоп находится в состоянии покоя, частоты двух противоположных движущихся лазерных лучей равны. Когда лазерный гироскоп вращается вокруг оси, перпендикулярной плоскости генерации, возникает разность частот между двумя лазерными лучами. Разность частот создается потому, что скорость света постоянна. Будет казаться, что один лазерный луч обладает большим расстоянием для перемещения, чем другой лазерный луч в завершении одного прохода вокруг полости.

Небольшое количество света от двух лазерных лучей проходит через одно из зеркал (менее 0,2%). Лучи объединяются оптическими частотами для получения частоты импульсов. Что принимает форму интерференционного узла. Эта частота импульсов аналогична двум различным звуковым частотам, которые объединяются, чтобы произвести третью разностную частоту.

Когда частоты лазерного луча различаются, создается картина из чередующихся темных и светлых полос. Фотодиоды воспринимают интерференционную картина и направление движения. Частота и относительная фаза двух диодных выходов указывают величину и направление вращения гироскопа.

При низкой частоте вращения небольшая разница частот между лазерными лучами приводит к соединению луча. Это блокирует и объединяет частоты на одном ложном значении. Чтобы компенсировать этот эффект, используется электрогидродвигатель для вибрации лазерного блока через область блокировки. Вибрация имеет чистое нулевое среднее значение. Она не производит никакого чистого инерционного вращения. Вибрация двигателя ощущается на корпусе IRU и создает слышимый гул.