Вертолёт, 2005 № 02

Образная индикация

Цифро-шкальная индикация параметровполета, сложившаяся на заре развития авиации как единственно возможный способ визуализации показаний электромеханических датчиков, и по настоящее время остается основным способом представления полетной информации (рис. 1). Показания авиагоризонта, курсового прибора, вариометра, высотомера, указателя воздушной скорости отражаются на панели приборов. Недостатки такого способа представления информации общеизвестны. Главным из них является то, что пилот видит результат законченного процесса: критической высоты, когда она превзойдена, вертикальной скорости, которая достигнута, крена и тангажа за пределами эксплуатационных ограничений и т. п. Иными словами, эффективный контроль полета по показаниям стандартной индикации возможен только с учетом опыта прогнозирования движения ЛА пилотом, выработанных им моторных навыков управления летательным аппаратом конкретного типа.

Рис. 1. Панели инструментов: вертолета Robinson R44, 2001 год, (вверху) и самолета Як-18Т, 1960-е годы, (справа)

Индикация по отклонениям оставляет пилоту только возможность парирования уже свершившихся эволюций вертолета. При этом результат своих воздействий на органы управления (с точки зрения динамики полета) пилот увидит лишь через достаточно продолжительный интервал времени. В этом случае лишь его опыт и адекватное психоэмоциональное состояние являются гарантией эффективности и безопасности совершаемых действий. Развитие электроники и вычислительной техники «принесло» на борт ЛА компьютеры и электронные графические индикаторы (сначала в виде катодных трубок, а затем и полноцветные жидкокристаллические дисплеи). Появился термин «стеклянная кабина» (glass cockipt) для обозначения комплекса средств визуализации полетной информации с использованием цветных графических дисплеев. Современный основной пилотажный дисплей (PFD — Primary Flight Display) представляет собой комбинацию стрелочных приборов и иных шкал (рис. 2). Наряду с различными символами используется и цветовое кодирование. В PFD показания различных устройств выводятся на один дисплей. Однако сами принципы индикации не претерпели существенного изменения. Как и в случае с цифро-шкальной индикацией, пилот получает информацию «по отклонению», подходы к управлению ЛА также не изменились.

Идея образной индикации (ОИ) состоит в том, чтобы в системе «пилот — летательный аппарат» появилось звено, которое собирает первичную информацию от датчиков и представляет ее пилоту в переработанном виде. Индицируются не только текущие показания датчиков, прогнозируется развитие полетной ситуации с учетом динамических характеристик конкретного ЛА. Алгоритмической основой образной индикации являются математические модели прогнозирования как траектории движения ЛА в целом, так и отдельных его параметров (скорости, высоты, траекторных углов) с использованием различных гипотез движения в зависимости от времени прогнозирования и характера маневра, рельефа, заданной траектории полета. То есть цель управления состоит не в компенсации отклонений, а в ориентации вектора скорости в пространстве в желаемом направлении через результирующую силу. Следовательно, физический принцип ОИ основан на том элементарном положении, что причиной изменения скорости является сила. И если следить за отклонением вектора результирующей силы, то можно достичь правильной ориентации ЛА в пространстве и приведения его в заданную точку сразу, а не методом «проб и ошибок».

Теоретической основой пилотирования по образной индикации является принцип «преследующего слежения с прогнозированием», позволяющий одновременно с повышением точности пилотирования существенно увеличить резервы внимания летчика по сравнению с пилотированием «директорным способом». Таким образом, на борту появляется своего рода «электронный инструктор», или «электронный помощник летчика», который в соответствии с заложенными в программу алгоритмами берет на себя функции анализа и подсказки правильных действий.

Принципиально новым в ОИ является переход от цифро-шкальной индикации к отображению полета в виде 2- и 3-мерных графических образов. В этом случае летчик имеет возможность использовать приобретенные им навыки визуального пилотирования в полете по псевдообъемным «картинкам».

Все ограничения по условиям безопасности полета сведены к ограничениям на вектор прогнозного движения как интегральный символ, используемый для пилотирования ЛА. Информация о приближении к ограничениям выдается летчику одновременно с учетом времени запаздывания его реакции и скорости приближения к ограничениям.

Таким образом, использование ОИ обеспечивает следующие преимущества:

— повышение точности пилотирования при одновременном увеличении резервов внимания летчика в полете по сложным пространственным траекториям;

— рациональное устранение отклонений от заданной траектории полета;

— повышение эффективности парирования сильных ветровых возмущений и разбалансировки ЛА;

— снижение требований к моторным навыкам летчика и их быстрое восстановление для координированного управления ЛА;

— устойчивую пространственную ориентировку летчика;

— снижение количества совершаемых летчиком ошибок в технике пилотирования и в выборе рациональной траектории полета;

— своевременное предупреждение летчика о возможности столкновения с препятствиями или земной поверхностью, а также о превышении эксплуатационных ограничений;

— снижение утомляемости летчика.

Рис. 2. Основной пилотажный дисплей современного самолета

Рис. 3. Один из основных кадров ПНС-А. Цифро-шкапьная индикация

Все вышеперечисленное «работает» на повышение эффективности пилотирования и безопасности полета.

Система средств образной индикации защищена патентами на изобретения, прошла испытания на летающих лабораториях, получила положительную оценку летного состава (как самолетов, так и вертолетов) и рекомендована для использования при подготовке на тренажерах. Говоря о перспективах и путях внедрения средств ОИ, следует учитывать тот факт, что подавляющее большинство эксплуатирующихся в настоящее время самолетов и вертолетов выпуска 8090-х годов не оборудовано современными пилотажными приборами с цифровым выходом данных. Указанное обстоятельство, с одной стороны, служит препятствием для использования ОИ, а с другой, делает еще более необходимым оснащение авиационного парка современными средствами пилотирования и навигации. Переоборудование устаревших ЛА современными пилотажнонавигационными комплексами экономически нецелесообразно.

Резервной или дублирующей пилотажнонавигационной системой, получающей данные от независимого источника, может стать сравнительно дешевое устройство с образной индикацией. Такой системой и является малогабаритная интегрированная навигационная система (МИНС) «КомпаНав-2» разработки и производства московской компании ТеКнол. На базе этой системы создано автономное пилотажно-навигационное средство ПНС-А, в котором принципы образной индикации не только в полной мере использованы, но и получили дальнейшее развитие в направлении повышения безопасности пилотирования в сложных условиях полета. В развитии подходов к образной индикации в ПНС-А вводится растровая карта местности (сканированная или аэрофотоснимок), на которую накладывается планируемая траектория полета, возможна также цифровая индикация рельефа местности. Передача глубины синтезированного закабинного пространства через цветокодирование рельефа с учетом оптимального расположения источника света и выбор системы координат «вид с земли на самолет» обеспечивают хорошую пространственную ориентировку даже при активном пространственном маневрировании. Наложенная на изображение рельефа на прогнозной дальности линия опасной высоты полета (мажоранта) обеспечивает летчика информацией о высоте полета над рельефом и своевременно предупреждает о возможности столкновения с поверхностью земли (рис. 3).

Установка ПНС-А с дисплеем образной индикации на ЛА любого типа равнозначна модернизации пилотажно-навигационного комплекса на уровне самых современных решений в стиле glass cockpit. При этом существенно расширяется сфера применения летательного аппарата, повышается точность отработки штатных операций и безопасность выполнения сложных заданий. Важно отметить, что ПНС-А — это автономное, привносимое оборудование, не требующее подключения к штатным бортовым системам, что существенно упрощает его установку и процесс согласования с имеющимся оборудованием.

Андрей ТИТОВ, д-р техн. наук, кафедра «Безопасность полетов и моделирование авиационных комплексов», Военно-воздушная инженерная академия им. Н.Е. Жуковского

Э К С П Л У А Т А Ц И Я