Способ прогнозирования вероятности возникновения опасных порывов ветра в зоне взлётно-посадочной полосы при посадке воздушного судна

Полный текст

Введение

Этапы захода на посадку и посадки ВС являются наиболее важными с точки зрения безопасности полетов. Существующие средства метеообеспечения в аэродромной зоне позволяют определить скорость и направление ветра [Богаткин, 1986; Гузий, 2009; Мануйлов, 2021], высоту облачности, дальность видимости, температуру и влажность, в то время как порывы ветра, будучи непредсказуемыми [Афанасьева и др., 2017; Баранов и др., 1981; Воробьев и др., 1991], представляют наибольшую опасность возникновения предпосылок летных происшествий при посадке [Ахрамеев и др., 2020].

Экспериментальные данные, полученные с использованием регистрирующего устройства, свидетельствуют об импульсном характере ветровых возмущений [Рубцов и др., 2015] (рисунок 1). В работе [Рубцов, 1978] показано распределение абсолютных максимумов огибающей атмосферного шума, также имеющих импульсный характер, подобно ветровым возмущениям, что позволяет использовать математический аппарат для вероятностного описания порывов ветра.

 

Рисунок 1 – Порывы ветра, зарегистрированные параметрическим регистрирующим устройством на ультразвуковом луче

 

Метод математического описания распределения абсолютных максимумов порывов ветра

Интегральная функция распределения абсолютных максимумов порывов ветра задается выражением:

$F_1\left(h\right)=exp\left\{-exp\left[\alpha \left(h\right)\right]\right\}$, $Т\to \infty$, (1)

где $\alpha \left(h\right)={\left[2\ln \frac{\mu \left(T\right)}{\sigma }\right]}^{1/2}\{{\left[2\ln \frac{\mu \left(T\right)}{\sigma }\right]}^{1/2}-\ln h/\sigma -\sigma \}$. (2)

Нормированное значение абсолютных максимумов порывов ветра определяется аналогично распределению абсолютных максимумов атмосферного шума за время наблюдения. Время наблюдения может быть принято как суммарное время захода на посадку и посадки ВС.

$h=\underset{0<t<T}{\max }\left[\text{Ε}\left(t\right)/{\text{Β}}_{\text{Ε}}^{1/2}\left(0\right)\right]\simeq \text{exp}(\sigma {\left\{\left[2\ln \frac{\mu \left(T\right)}{\sigma }{]}^{1/2}+\right[2\ln \frac{\mu \left(T\right)}{\sigma }\right]}^{-1/2}\xi -\sigma \})$, (3)

где:

$\mu \left(Т\right)=Т{[-R_E^{\text{'}\text{'}}\left(0\right)]}^{1/2}/2\pi$ (4)

$\text{Ε}\left(t\right)=A\exp \left[\xi \left(t\right)\right]$ – текущее значение порыва ветра; (5)

ξ(t) – нормальный стационарный дифференцируемый случайный процесс с математическим ожиданием и функцией корреляции, равными нулю;

σ – параметр, характеризующий степень «импульсности» порыва ветра, связанный с легкоопределяемым экспериментально параметром V_d, представляющим собой выраженную в децибелах разность среднеквадратического и среднего значения процесса [Левин, 1966].

$V_d=20lg\left[{\text{Β}}_{\text{Ε}}^{\raisebox{1ex}{$1$}\!\left/ \!\raisebox{-1ex}{$2$}\right.}\left(0\right)/m_{1\text{Ε}}\right]$; (6)

$R\mathit{ }\mathit{\left(}\tau \mathit{\right)}$ – нормированная интегральная функция корреляции порывов ветра;

$R_{\tau }=\frac{1}{{\sigma }^2}\ln \left[R_{\text{Ε}}\left(\tau \right)\right]+1$, (7)

где $R_{\text{Ε}\left(\tau \right)}={\text{Β}}_{\text{Ε}}\left(\tau \right)/{\text{Β}}_{\text{Ε}}\left(0\right)$ – коэффициент корреляции огибающей шума; (8)

B (0) – дисперсия процесса;

$R\mathit{ }\mathit{\left(}\tau \mathit{\right)}$ – нормированная к дисперсии процесса B (0) корреляционная функция процесса;

$R^{\text{'}\text{'}}\mathit{ }\mathit{\left(}\tau \mathit{\right)}$ – вторая производная по времени нормированная корреляционная функция;

$B_E\mathit{ }\mathit{\left(}\tau \mathit{\right)}$– функция корреляции порывов ветра.

На рисунке 2 приведено семейство кривых интегральной функции распределения абсолютных максимумов порывов ветра при различных значениях времени наблюдения T. Из кривых видно, что при увеличении времени наблюдения T, функция распределения имеет тенденцию к увеличению. Это связано с тем, что при увеличении периода наблюдения абсолютный максимум будет увеличиваться. При повышении степени импульсности функции распределения становятся шире, что связано с повышением вероятности резкого возрастания и снижения скорости ветра.

 

Рисунок 2 – Интегральная функция распределения абсолютных максимумов огибающей порывов ветра: сплошные кривые – μ (Т)=200; штрих-пунктир – μ (Т)=100; пунктир – μ (Т)=50

 

Дискуссия

Возмущения типа порывов ветра относятся к упругим волнам. Основу метода приема упругих волн при помощи зондирующих электромагнитных волн составляет накопление по длине зондирующего луча девиации фазы колебаний в нем, фазовая модуляция которых вызывается изменением скорости распространения колебаний в луче под действием избыточного давления, создаваемого упругой волной [Рубцов, 1997].

Принцип работы волновых антенн базируется на параметрическом взаимодействии узконаправленных зондирующих колебаний в среде и волн, принимаемых антенной. По длине луча происходит накопление этого взаимодействия. Регистрация производится методами микрофазометрии. Природа этих волн может различаться или быть одинаковой, а среда может быть твердой, жидкой или газообразной.

Зондирующий луч находится под некоторым углом относительно порыва ветра (рисунок 3). Отражатель предназначен для объединения точек излучения и приёма колебаний.

 

Рисунок 3 – Принцип действия волновой антенны

 

В работе [Рубцов и др., 2015] показано, что при использовании регистрирующего устройства с ультразвуковым зондирующим лучом, с использованием которого были получены приведенные выше данные (рис. 1), максимальная диаграмма направленности устройства находится в направлении луча, при использовании же электромагнитного зондирующего луча (оптического или СВЧ) максимум диаграммы направленности направлен по нормали.

На рис. 4 приведена структурная схема регистрирующего устройства с наиболее простым в реализации методом фазовых измерений [Рубцов и др., 2015]. Полезный эффект получается путем измерения разности фаз на входе и выходе узкополосного полосового фильтра Пф. Использование узкополосного фильтра обусловлено тем, что ветровые возмущения имеют достаточно узкий спектр. При этом за счет крутой фазовой характеристики полосового фильтра происходят колебания фазы в луче, вызванные ветровым возмущением.

 

Рисунок 4 – Структурная схема параметрического регистрирующего устройства на ультразвуковом луче с относительными фазовыми измерениями и совмещением пунктов излучения и приема зондирующих колебаний, где:

МВВ РПДУ – метровые волны радиопередающего устройства;

МВ РПУ – метровые волны радиоприёмного устройства;

АИ – акустический излучатель; АПУ – акустическое приемное устройство;

ПФ – полосовой фильтр; Ус. – усилители; ИФ – измеритель фазы

 

Результаты

Для получения метеоинформации на аэродроме применяется комплексная радиотехническая аэродромная метеорологическая станция – КРАМС. КРАМС предназначена для измерения температуры и влажности воздуха, скорости и направления ветра, нижней границы облачности, метеорологической дальности видимости и т.д.

Принцип действия данной станции заключается в измерении метеорологических параметров при помощи первичных измерительных преобразователей.

Центральная система, входящая в состав КРАМС, состоит из комплекта технических средств, специального программного обеспечения и измерительных преобразователей метеовеличин (датчиков) [Институт радарной…, б.г.]. Данные от датчиков поступают каждые 15 секунд, обрабатываются, анализируются и передаются диспетчерам аэропорта.

Однако КРАМС не позволяет оперативно решить проблему передачи на борт информации о порывах ветра. Поэтому предлагается дополнить систему КРАМС параметрическим регистрирующим устройством на ультразвуковом луче (рисунок 5).

 

Рисунок 5 – Структурная схема станции КРАМС с базовым набором датчиков, дополненная параметрическим регистрирующим устройством на ультразвуковом луче. Источник: составлено на основе «Комплексная радиотехническая аэродромная метеорологическая станция «КРАМС-4» // [Электронный ресурс]. URL: http://iram.ru/iram/all_main.php?js=1&list_par=20-0

 

Данные, которые были получены параметрическим регистрирующим устройством на ультразвуковом луче, поступают на вход центрального устройства и обрабатываются. Центральное устройство станции КРАМС, кроме обработки измерительных сигналов, проводит сравнение значений порывов ветра с допустимыми. Затем по этим данным формируется информация, которая в дальнейшем будет передана руководству и службам управления полётами для дальнейшей консультации лётных экипажей и передачи информации по линиям связи.

Проанализируем существующие системы передачи информации на борт ВС. Наиболее распространенными являются наземная станция контрактного автоматического зависимого наблюдения (АЗН), Controller-Pilot Data Link Communications (CPDLC) и Aircraft Communications, Addressing and Reporting System (ACARS).

АЗН применяется для передачи данных с ВС на землю, обмена данными между ВС, передачи на ВС информации о воздушной и метеообстановке и т. д. [Система АЗН-К.…, б.г.].

ACARS осуществляет обмен информацией между ВС и наземной станцией, передает сообщения в закодированном виде, а к пользователю информаций попадает уже в текстовом виде. [Как работает система…, 2014].

CPDLC или связь «диспетчер-пилот» используется для передачи информации по связи «воздух-земля» между службами УВД (диспетчерами) и экипажами ВС (пилотами) в целях безопасного обслуживания воздушного движения. CPDLC используют, чтобы передать текстовые сообщения, которые не требуют срочных действий. Оно может использоваться для получения разрешений на борт ВС о продолжении бесступенчатого набора высоты от органа УВД, при этом канал радиосвязи останется свободным для передачи более приоритетных указаний, которые непосредственно влияют на безопасность полетов. [CPDLC…, 2019]. Поэтому информацию о порывах ветра целесообразно передавать через CPDLC.

Схема установки устройства приведена на рисунке 6. Регистрирующее устройство устанавливается в районе КРМ и подключается к общей системе метеообеспечения аэродрома. В автоматическом режиме зондирующий луч посылает сигналы в атмосферу и при наличии порывов ветра регистрирует сигнал. Информация о порывах ветра считывается и передаётся на сервер системы КРАМС, где через CPDLC передаётся на ВС на высоте 60 м на бортовой компьютер, который выдает голосовое сообщение.

 

Рисунок 6 – Схема измерения величины порывов ветра на ВПП. Источник: составлено на основе «Устройство аэродромов. Радиотехнические средства» // [Электронный ресурс]. URL: https://oleg-knyzhov.ru/uroki/ustrojstvo-aerodromov-radiotehnicheskie-sredstva

 

Голосовые сообщения будут кратко передавать основную информацию об уровне опасности порывов ветра, опираясь на светофорную модель (таблица 1).

 

Таблица 1 – Светофорная модель распределения уровня опасности порывов ветра

Наличие порывов	Скорость порыва ветра	Уровень
Нет	-	Приемлемый
Да	0-5 м/с	Допустимый
Да	более 5 м/с	Не допустимый

 

Таким образом, голосовые сообщения, поступающие на борт воздушного судна для принятия решения экипажами, могут быть следующими:

• «Порывы ветра в допустимых значениях»;
• «Опасные порывы ветра, необходим уход на второй круг».

В случае, если после ухода на второй круг порывы ветра сохраняются, необходимо уходить на запасной аэродром.

 Заключение

Внедрение в метеослужбу аэродрома параметрического регистрирующего устройства на ультразвуковом луче позволит информировать экипаж воздушного судна о наличии порывов ветра в зоне взлета/посадки на ВПП, что позволит вовремя предпринять меры для минимизации рисков для безопасности полетов.

Об авторах

Виталий Дмитриевич Рубцов

Государственный научно-исследовательский институт гражданской авиации

Автор, ответственный за переписку.
Email: vostburtiv@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-4798-9150

доктор технических наук, профессор, Почетный работник науки и техники РФ, главный научный сотрудник

Россия, 125438, Москва, Михалковская ул., д. 67, корп. 1

Елена Игоревна Трусова

Московский государственный технический университет гражданской авиации

Email: elenatru2011@yandex.ru
ORCID iD: 0009-0006-3990-261X

аспирант

Россия, 125493, Москва, Кронштадтский б-р, д. 20

Александра Леонидовна Рыбалкина

Московский государственный технический университет гражданской авиации

Email: rybalkina@list.ru
ORCID iD: 0009-0009-4063-6525

кандидат технических наук, доцент

Россия, 125493, Москва, Кронштадтский б-р, д. 20

Список литературы

Дополнительные файлы