Method for predicting the probability of dangerous gusts of wind in the runway area when landing an aircraft

Full Text

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.

About the authors

Vitalii D. Rubtsov

The State Scientific Research Institute of Civil Aviation

Author for correspondence.
Email: vostburtiv@gmail.com
ORCID iD: 0009-0007-4798-9150

Doctor of Technical Sciences, Professor, Honorary Worker of Science and Technology of the Russian Federation, Chief Scientific Officer

Russian Federation, 125438, Moscow, Mihalkovskay, 67, k. 1

Elena I. Trusova

Moscow State Technical University of Civil Aviation

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

graduate student

Russian Federation, 125493, Moscow, Kronshtadtsky blvd, 20

Alexandra L. Rybalkina

Moscow State Technical University of Civil Aviation

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

Candidate of Sciences in Technology, Associate Professor

Russian Federation, 125493, Moscow, Kronshtadtsky blvd, 20

References

Supplementary files