Применение трёхмерной графики
для построения
информационно-управляющих
систем посадки

М.И.Минеев,
ведущий научный сотрудник, к.т.н.,

А.И.Костюк,
заслуженный лётчик-испытатель,

Лётно-исследовательский институт имени М.М.Громова

Опубликовано в журнале «Мир авионики», 2006 г., № 3, стр. 43 - 47.

Для решения задач посадки ЛА в сложных метеоусловиях (СМУ) широко используются различные виды и методы автоматизации посадки. В настоящее время получили широкое распространение режимы позиционного (по планкам положения), директорного и автоматического управления на этапах захода на посадку, а в некоторых случаях даже до касания и пробега по ВПП. В процессе эксплуатации этих систем в соответствии с рекомендациями ИКАО используется специальная методология категорирования посадочных минимумов (I, II, III категории посадки). В этой методологии важная роль отводится экипажу ЛА как одному из основных элементов сложной эргатической системы «ЛА - среда - человек».

В соответствии с этой идеологией экипаж ЛА наряду с большим объёмом задач, решаемых при посадке, должен:
• определить местоположение ЛА относительно аэродрома посадки после появления в поле зрения видимых ориентиров (светосигнальных огней);
• принять решение о возможности выполнения посадки или ухода на повторный заход (или другой аэродром) до момента прохода высоты принятия решения (один из параметров посадочного минимума);
• выполнить посадку при визуальном управлении после принятия соответствующего решения.

На ЛА, где экипаж состоит из нескольких человек (командир, второй пилот и штурман), эти задачи распределяются между членами экипажа. На ЛА с экипажем из одного человека всё выполняет единственный член экипажа. Вполне очевидно, что в этом случае физические и психофизиологические нагрузки на лётчика чрезмерно велики и могут даже достичь предела его возможностей.

С точки зрения психологии лётного труда принятие решений и выполнение различных операций по управлению ЛА осуществляется на основе сформированного в сознании лётчика так называемого «образа полёта» [1]. Эти действия и операции будут эффективными, если «образ полёта» будет адекватен реальному полёту. Известно, что существующие методы снижения посадочных минимумов (автоматическое или директорное управление на посадке) «обедняют» формируемый в сознании лётчика «образ полёта», т.к. в этом случае основная роль в управлении процессом посадки принадлежит системе посадки, а лётчик только контролирует работу системы или выполняет команды вычислителя директорных сигналов [2].

Поэтому для ЛА с одним членом экипажа при решении задач сниженияя посадочных минимумов возникает необходимость повышения информативности «образа полёта» и приближения его к реальному полёту. Одним из возможных путей решения этой задачи является реализация на борту ЛА функций так называемого «активного оператора» [3]. Суть её сводится к тому, чтобы используемые методы автоматизации посадки, реализованные на борту ЛА в виде информационно-управляющей системы, вынуждали бы лётчика активно участвовать в процессе управления ЛА. Так, например, для реализации функции активного оператора может быть использовано «комбинированное» или «совмещённое» управление [2].

Однако современный уровень развития бортового оборудования, используемый для построения информационно-управляющих систем (быстродействующие цифровые вычислительные машины, жидкокристаллические дисплеи, высокоточные измерители положения ЛА), представляет новые возможности по реализации функций «активного оператора». Основной принцип «активного оператора» состоит в том, что информационное обеспечение лётчика при посадке, представленное на многофункциональном индикаторе (МФИ), наряду с индикацией в наглядном виде основных параметров полёта ЛА, содержит также некоторые командные (управляющие) сигналы по пилотированию ЛА. При этом для повышения информативности «образа полёта» желательно бы использовать при посадке в СМУ те же навыки и стереотипы по управлению ЛА, что и при визуальной посадке в простых метеоусловиях. Это может быть получено, если при отсутствии видимости реального внешнего мира заменить его виртуальным. синтезированным в бортовой вычислительной системе с использованием цифровой карты местности, и представить изображение виртуального мира на экране МФИ. Однако на данном этапе работ для экспериментальной проверки разработанного метода автоматизации посадки виртуальный внешний мир был представлен в виде схематического изображения основных объектов внешнего мира, который проектировался на экран МФИ. При этом необходимо, чтобы проекция на экране МФИ виртуального мира в общих чертах совпадала бы с видом на реальную картину окружающего пространства, как если бы экран МФИ был «прозрачным».

Эта задача может быть решена с использованием методов трёхмерной графики и проективной геометрии. Полученное таким методом плоское изображение виртуального окружения, представленное на МФИ, может быть использовано для управления процессом посадки, но при этом не обепечивается необходимая точность движения по траектории посадки. Поэтому для повышения точности необходимо выбрать какой-либо метод автоматизации посадки, т.е. сформировать и представить на экране МФИ команды по управлению ЛА. Желательно, чтобы этот метод соотносился с виртуальной картиной внешнего мира.

На основании изложенного подхода к решению задач по автоматизации посадки предложен новый метод построения информационо-управляющей системы посадки, суть которого изложена ниже.

Рис. 1. Схема представления внешнего мира и его проекции на экране.

Схематическое представление синтезированного виртуального мира, принятое при разработке информационно-управляющей системы посадки, показано на рис. 1. Оно включает в себя ВПП с осью, продолженной в сторону захода на посадку, траекторию посадки (глиссаду) и некоторые искусственные объекты (окна, рамки, коридоры и т.п.), необходимые для получения дополнительной информации и реализации законов управления посадкой. Кроме этого на рис. 1 показаны системы координат (земная 0X_gY_gZ_g, подвижная с началом координат в центре масс ЛА 0X_cY_cZ_c и экранная 0Y_nZ_n), которые используются при проектировании внешнего мира на плоский экран.

Для построения перспективного изображения внешнего мира на плоском экране центр проектирования («глаз») совмещается с центром масс ЛА (точка 0), плоскость проектирования размещается на расстоянии d = 70 ... 100 см от центра проектирования так, чтобы она была перпендикулярна оси визирования (линии, проходящей через центр проектирования и центральную точку плоскости проектирования, ось 0X_c). Если спроектировать все характерные точки синтезированного трёхмерного мира (например, координаты ВПП, рамок и т.п.) на проективную плоскость, то на ней может быть построено двумерное (плоское) изображение внешнего мира, которое потом может быть представлено на экране МФИ. Плоское изображение на экране меняет свою форму и вид в зависимости от эволюций ЛА (т.е. в соответствии с принципом «вид с самолёта на землю»).

Существенным моментом при этом является ориентация оси визирования в пространстве (относительно земной системы координат 0X_gY_gZ_g). Ось визирования может быть направлена по продольной оси ЛА, по вектору путевой, воздушной, земной скорости полёта или в общем случае быть даже некоторой функцией параметров движения ЛА. При этом в зависимости направления оси визирования в пространстве меняется положение проективной плоскости, поэтому проекции одного и того же внешнего мира на них будут иметь разный вид. Ориентация оси визирования в конечном счёте также предопределяет способ (закон) управления ЛА при пилотировании по плоскому изображению внешнего мира на экране МФИ. Если, например, ось визирования совпадает с продольной осью ЛА, то реализуется закон управления по тангажу; если со скоростной осью, то по вектору скорости. Таким образом, из изложенного вытекает необходимость выбора метода ориентации оси визирования в пространстве для представления виртуального трёхмерного внешнего мира на плоскости в двумерном виде. Для этого использовался следующий подход.

При визуальном пилотировании по наземным ориентирам лётчик различным обарзом в зависимости от решаемой задачи ориентирует направление своего взгляда и тем самым изменяет вид проекции внешнего мира на сетчатке глаза. Поэтому можно сказать, что имеет место некоторая аналогия между процессами восприятия лётчиком внешнего мира через органы зрения и проекитрования виртуального мира на плоскость. Исходя из этого предложено ориентацию оси визирования при проектировании внешнего мира на плоскость выбирать адекватной направлению взгляда лётчика. Однако вполне очевидно, что направление взгляда лётчика в общем случае является случайным и не может быть представлено какой-нибудь детерминированной функцией. Тем не менее в этом процессе можно выделить некоторые закономерности.

Они проявляются в том, что в процеес выполнения какого-либо манёвра (устранение отклонений от заданной траектории, выхода на цель и т.п.) на начальном этапе его выполнения в продольном канале лётчик управляет углом тангажа, для чего он ориентирует направление своего взгляда по продольной оси самолёта. В дальнейшем по мере достижения цели управления (на заключительном этапе манёвра) он управляет вектором скорости (направляет вектор скорости по заданной траектории или на цель), т.е. ориентирует направление своего взгляда по скорости полёта. В боковом канале управление осуществляется в основном за счёт создания угла крена с целью выдерживания горизонтальной проекции вектора скорости в нужном направлении. На основании изложенного принято, что при проектировании виртуального мира на плоскость ось визирования в продольном канале в динамических режимах полёта (при энергичном изменении параметров полёта) должна совпадать с продольной осью ЛА. При медленных эволюциях самолёта (выдерживании заданной траектории полёта) она должна совпадать с вектором скорости. Таким образом, в соответствии с изложенным предлагается при проектировании виртуального внешнего мира на плоскость менять в зависимости от характера движения самолёта положение оси визирования, подобно тому, как лётчик в реальном полёте при визуальном пилотировании меняет направление своего взгляда.

Поставленная задача может быть решена на основе использования классической схемы комплексирования двух сигналов с различным частотным составом помех. На выходе схемы получается сигнал, в котором практически отсутствуют помехи исходных сигналов. Однако в данном случае эта схема используется не для фильтрации помех, а для того, чтобы получить на её выходе угол наклона оси визирования в вертикальной плоскости. Для этого в качестве входных сигналов используются углы тангажа и наклона вектора скорости к горизонту. Выходной сигнал схемы комплексирования в зависимости от характера изменения входных сигналов («медленный» или «быстрый») будет определяться первым или вторым входным сигналом. В соответствии с приведенными выше требованиями по выбору положения оси визирования в вертикальной плоскости, при использовании этой схемы комплексирования для вычисления угла наклона оси визирования в вертикальной плоскости может быть использовано выражение, представленное в операторной форме:

(1)

где θ_c - угол наклона оси визирования в вертикальной плоскости;
θ - угол наклона вектора скорости к горизонту;
ϑ - угол тангажа;
T - постоянная времени, зависит от аэродинамических характеристик ЛА и находится в диапазоне 2 ... 4 сек,
p - оператор дифференцирования.

Если учесть, что

где α - угол атаки,

то выражение (1) можно представить в виде:

(3)

Таким образом, угловое положение оси визирования в вертикальной плоскости определяется двумя составляющими: углом наклона вектора скорости к горизонту и производной угла атаки, пропущенной через фильтр. Вторая составляющая оказывает влияние только при существенном изменении угла атаки (в короткопериодическом движении). В процессе траекторного управления, когда угол атаки меняется незначительно (в длиннопериодическом движении), угол наклона оси визирования к горизонту практически будет совпадать с углом наклона вектора скорости к горизонту.

Ориентация оси визирования в горизонтальной плоскости осуществляется по путевому углу (угол между проекцией вектора скорости на горизонтальную плоскость и заданным направлением). Для обеспечения «вида с самолёта на землю» проективная плоскость поворачивается на угол крена вокруг оси визирования.

Предложенный закон ориентации плоскости проектирования для построения на ней двумерного мира приближает «образ полёта», сформированный в сознании лётчика, к реальному, поскольку при этом частично имитируется изменение направления взгляда лётчика, характерное для визуального управления.

для реализации функций «активного оператора» и обеспечения его органического единства с виртуальным миром предложено автоматизировать управление процессом посадки на основе реализации в синтезированном внешнем мире режима полёта за «лидером» Для этого на траектории снижения впереди ЛА (на 1 ... 3 км от него) изображается некий фиктивный «лидер» в виде рамки, который движется по траектории посадки со скоростью, соответствующей проекции скорости ЛА на продолжение оси ВПП.

Процесс управления в данном случае заключается в том, чтобы направить вектор скорости ЛА на «лидер» и удерживать его в этом состоянии в процессе захода на посадку до высоты принятия решения. Как известно, в этом случае реализуется траектория полёта, называемая «кривой погони». В итоге при наличии отклонений от траектории посадки они будут устранены, а самолёт будет лететь по траектории «лидера», т.е. по траектории посадки.

При построении изображения синтезированного внешнего мира на плоском экране вектор скорости ЛА (в длиннопериодическом движении) проектируется в виде его центральной точки, а «лидер-рамка», установленная в виртуальном мире, в виде проекции этой рамки на экран.

Для реализации предложенного метода управления посадкой с использованием разработанного представления виртуального внешнего мира и его проектирования на плоскость необходимо отклонять органы управления ЛА так, чтоблы совместить центр рамки («лидера») с центром экрана. В этом случае фактический вектор скорости ЛА будет направлен на фиктивный «лидер», и тем самым осуществляется процесс управления посадкой ЛА по предложенному методу.

Повышение информативности образа полёта в этом случае достигается за счёт того, что в процессе управления лётчик как бы «видит» своё положение оотносительно ВПП, траекторию посадки и использует для управления ЛА привычные навыки по пилотированию.

Кроме подвижной рамки, в синтезированном внешнем мире устанавливаются две неподвижные рамки. Первая - на высоте принятия решения для выбранной категории посадки (60 м для 1-й категории, 30 м для 2-й и т.д.), а вторая на торце ВПП на высоте 15 м. Размеры этих рамок соответствуют допустимым отклонениям ЛА от траектории посадки на высоте принятия решения и над торцом ВПП соответственно. Вершины движущейся рамки («лидера») соединены с вершинами неподвижной рамки, установленной на высоте принятия решения, образуя некоторый коридор, внутри которого должен находиться ЛА при выполнении посадки. Как только в процессе посадки движущаяся впереди ЛА рамка («лидер») достигнет высоты принятия решения, она останавливается, совмещаясь с неподвижной рамкой. После прохода высоты принятия решения обе рамки исчезают с экрана, что является сигналом для перехода на визуальное пилотирование.

Реализация предложенных принципов построения информационно-управляющей системы посадки может быть выполнена при наличии на борту ЛА информации о местоположении его относительно аэродрома посадки, векторе скорости полёта относительно земли и угловой ориентации ЛА в пространстве. Для этого могут быть использованы инерциальная и спутниковая навигационные системы (ИНС и СНС). При этом желательно в целях повышения точности управления иметь СНС с дифференциальным или относительным режимами работы.

первичная информация от СНС в виде географических координат местоположения ЛА (широты, долготы, высоты) и составляющих скоростей полёта, ориентированных по сторонам света, использовались для вычисления скоростей ЛА относительно земной декартовой системы отсчёта, а ИНС - для выбора пространственной ориентировки проективной плоскости. Кроме того, ввиду специфических свойств информации СНС (дискретность, недостаточная для решения задач посадки частота обновления, запаздывание выдачи информации по отношению к реальному времени) в целях обеспечения целостности и непрерывности посадочных сигналов применялась комплексная обработка информации ИНС и СНС.

В Лётно-исследовательском институте на одной из летающих лабораторий (ЛЛ) были реализованы и проведены лётные испытания предлагаемой информационно-управляющей системы посадки.

При проведении лётных испытаний выполнялись заходы на посадку с имитацией СМУ на заключительном этапе посадки и пилотированию по разработанному информационному обеспечению посадки.

Рис. 2. Вид информационного кадра на МФИ (удаление от точки посадки 3,5 км, отклонение от оси ВПП 100 м)	Рис. 3. Вид информационного кадра на МФИ (удаление от точки посадки 750 м, отклонение от оси ВПП 2 м)

На рис. 2, 3 представлены примеры информационных кадров, отображаемых на МФИ в процессе выполнения посадки на различных удалениях от ВПП. Кроме схематического изображения внешнего мира на МФИ индицируется также ряд других параметров полёта (высота, скорость, курс, удаление от ВПП и др.), необходимых для выполнения посадки.

На рис. 4 приведены траектории движения ЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях, полученные при проведении лётных испытаний.

В результате анализа полученных материалов испытаний по всем выполненным заходам на посадку (42 захода) получено, что отклонения от заданной траектории лежат в диапазоне ±6 м в вертикальной плоскости и ±8 м в горизонтальной плоскости.

По мнению лётного состава, участвовавшего в испытаниях (5 лётчиков), разработанный метод управления позволяет выполнять заходы на посадку до H = 10 ... 15 м с точностями, достаточными для для дальнейшего завершения посадки при визуальном пилотировании.

В процессе лётных сипытаний подтверждено, что предложенный алгоритм управления подобен директорному режиму управления. Однако по сравнению с существующими системами директорного управления разработанный метод обеспечивает лучшие точностные характеристики и не требует специальных вычислителей для реализации законов управления. Более того, сигналы, сформированные в информационно-управляющей системе для перемещения рамки-«лидера» по экрану МФИ, могут быть использованы в системе автоматического управления заходом на посадку. В этом случае отпадает необходимость и в вычислителях для реализации алгоритмов автоматического захода на посадку, а САУ используется только в автопилотном режиме для отработки рассогласования между центрами рамки-«лидера» и экрана вместо лётчика. При этом в целях оптимизации взаимодействия между лётчиком и срежствами автоматизации посадки САУ может использоваться в режимах «совмещённого» или «комбинированного» управления.

На основе изложенного подхода применения трёхмерной графики для построения информационно-управляющих систем посадки и полученных результатов исследований может быть разработана новая идеология и логика использования систем автоматизации посадки для перспективных ЛА.

Рис. 4. Траектории движения ЛА при заходе на посадку

Литература

1. Доброленский Ю.П., Пономаренко В.А., Туваев В.А. Образ полёта и математическая модель деятельности лётчика по управлению летательным аппаратом // Научные чтения по авиации и космонавтике. - М., Наука, 1981. - С. 137 - 140.
2. Сильвестров М.М., Козиоров Л.М., Пономаренко В.А. Автоматизация управления лететельными аппаратами с учётом человеческого фактора. - М.: Машиностроение, 1986. - 184 с.
3. Завалова Н.Д., Ломов Б.Ф., Пономаренко В.А. Принцип активного оператора и распределение функций между человеком и автоматом // Вопросы психологии - 1971. - № 3. - С. 3 - 12.