Раздел 4. Оценка эффективности предлагаемых решений и их соответствия техническим требованиям

4.1 Расчет диаграмм направленности гибридной системы посадки

Модернизация системы посадки СП-200 путем добавления спутникового канала ГНСС приводит к изменению диаграмм направленности системы следующим образом.

Для глиссадного канала гибридной системы в горизонтальной плоскости зона действия сохраняет параметры штатной системы: длина 18,5 км, угол расширения 8° в обе стороны от оси ВПП, так как ГРМ обеспечивает большую дальность по сравнению с антенной ГНСС. Однако на дальностях свыше 11,4 км спутниковый канал может использоваться только при наличии наземной станции функционального дополнения, передающей дифференциальные поправки. В вертикальной плоскости глиссадного канала угол действия увеличивается с 78,75° до 180° за счет полусферической диаграммы направленности антенны ГНСС, но рабочим диапазоном, обеспечивающим требуемую точность, остается сектор примерно равный 20° от глиссадной траектории.

Зона действия ГРМ в вертикальной и горизонтальной плоскости модернизированной системы посадки представлена на рисунке 4.1 и 4.2 соответственно.

Рисунок 4.1 – Зона действия ГРМ модернизированной системы в вертикальной плоскости

Для курсового канала гибридной системы в горизонтальной плоскости зона действия на ближнем участке от 0 до 32 км остается неизменной с углом 35°. На дальнем участке от 32 до 46 км происходит расширение зоны с 10° до 14° за счет спутникового канала, который обеспечивает отклонение от оси ВПП до 11,4 км на дальности 46 км. В вертикальной плоскости курсового канала зона действия сохраняет параметры штатной системы: на дальности 46 км зона распространяется на высоту выше 600 метров, что соответствует углу 7°.

Рисунок 4.2 – Зона действия ГРМ модернизированной системы в горизонтальной плоскости

Зона действия КРМ в горизонтальной плоскости модернизированной системы посадки представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3 – Зона действия КРМ модернизированной системы в горизонтальной плоскости

Таким образом, были рассмотрены изменения диаграмм направленности модернизированной системы. Спутниковый канал обеспечивает навигационную информацию при значительных боковых отклонениях например, при уходе на второй круг или при аварийных ситуациях, в то время как КРМ и ГРМ обеспечивают высокую точность наведения именно вдоль оси ВПП. Предложенная гибридная система сочетает достоинства обоих каналов, обеспечивая повышенную надежность и расширенные возможности захода на посадку.

4.2 Расчет надежности гибридной системы посадки

Надежность является одним из ключевых показателей качества авиационного радиоэлектронного оборудования, особенно для систем, обеспечивающих заход на посадку воздушных судов [10]. Целью данного расчета является количественная оценка надежности модернизированной гибридной системы посадки, созданной на базе штатной системы СП-200 с интеграцией глобальной навигационной спутниковой системы. В результате модернизации в состав системы были добавлены следующие блоки: антенна ГНСС, многодиапазонный приемник ГНСС (GPS/ГЛОНАСС/GALILEO), БКУ и БСК с реализацией интерфейса RS-232 и преобразователя. Принципиальная схема антенного устройства ГНСС содержит малошумящий усилитель, полосовой фильтр, делитель мощности, генератор опорной частоты 23,104 МГц и СБИС.

Задачами расчета надежности являются:

- оценка вероятности безотказной работы (ВБР) модернизированной системы за межремонтный ресурс

- сравнение показателей надежности исходной системы СП-200 и гибридной системы с резервированием

Для расчета надежности рассматривается структурная схема гибридной системы посадки, включающая два параллельных канала получения навигационной информации: канал ILS и канал ГНСС.

В таблице 4.3 представлены интенсивности отказов элементов гибридной системы посадки.

Таблица 4.3 – Интенсивности отказов элементов гибридной системы посадки

Элемент системы	Интенсивность отказов λ×10-6, 1/ч	Наработка на отказ Т0=1/λ, ч
Антенна ILS	0,5	2000000
Бортовой приемник ILS	200	5000
Антенна ГНСС	10	100000
Приемник ГНСС	150	6667
БСК	30	33333
БКУ	40	25000

Для экспоненциального закона вероятность безотказной работы P(t) за время t определяется по формуле:

(4.1)

где λ – суммарная интенсивность отказов системы;

t – время работы системы.

Вероятность безотказной работы гибридной системы посадки с двумя параллельными каналами ILS и ГНСС определяется по формуле:

(4.2)

где P_ILS(t) – вероятность безотказной работы канала ILS;

P_ГНСС(t) – вероятность безотказной работы канала ГНСС.

Объединив формулу 3.1 и формулу 3.2 мы получим:

(4.3)

где λ_ILS – суммарная интенсивность отказов канала ILS;

λ_ГНСС – суммарная интенсивность отказов канала ГНСС.

Согласно требованиям ГОСТ Р 54620-2011, срок службы аппаратуры спутниковой навигации должен составлять не менее 7 лет. В авиационной практике межремонтный ресурс для бортового оборудования обычно устанавливается в диапазоне от 10000 до 30000 часов. Для настоящего расчета принят межремонтный ресурс, равный 10000 часов, что соответствует примерно 14 месяцам непрерывной работы или 3-5 годам эксплуатации с учетом коэффициента использования [11].

Расчет суммарных интенсивностей отказов канала ILS определяется по формуле:

(4.4)

где λ_AILS – интенсивность отказов антенны ILS;

λ_RXILS – интенсивность отказов бортового приемника ILS.

Подставив значения из таблицы 4.3 в формулу 4.4 мы получим:

(4.5)

Таким образом суммарная интенсивность отказов канала ILS составила 1/ч.

Расчет суммарных интенсивностей отказов канала ГНСС определяется по формуле:

(4.6)

где λ_A – интенсивность отказов антенны ГНСС;

λ_RX – интенсивность отказов приемника ГНСС;

λ_BSK – интенсивность отказов БСК;

λ_BKU – интенсивность отказов БКУ.

Подставив значения из таблицы 4.3 в формулу 4.6 мы получим:

(4.7)

Таким образом суммарная интенсивность отказов канала ГНСС составила 1/ч

Межремонтный ресурс – это наработка оборудования от момента его ввода в эксплуатацию до момента, когда должен быть выполнен следующий плановый ремонт.

В авиационной практике межремонтный ресурс устанавливается производителем и является нормативным документом для служб эксплуатации. Для радиотехнических систем посадки, к которым относится модернизированная СП-200, типовой межремонтный ресурс составляет от 8 000 до 12 000 часов. В расчете надежности системы принято 10000 часов, что эквивалентно 14 месяцам непрерывной работы или от 3 до 5 лет календарной эксплуатации с учетом налета.

Для штатной системы СП-200 расчет вероятности безотказной работы за межремонтный ресурс определяется по формуле:

(4.8)

Подставив в формулу 3.8 значения из таблицы 3.3 мы получим:

(4.9)

Таким образом, если эксплуатировать исходную систему СП-200 без модернизации, то за 10 000 часов непрерывной работы только 13,47% систем сохранят полную работоспособность без единого отказа. Остальные 86,53% систем откажут хотя бы один раз и потребуют внепланового технического обслуживания.

Для расчета вероятности безотказной работы за межремонтный ресурс модернизированной СП-200 требуется подставить в формулу 4.8 значения из таблицы 4.3. Подставив эти значения мы получим:

(4.10)

Таким образом, если эксплуатировать канал ГНСС модернизированной СП-200, то за 10 000 часов непрерывной работы только 10% систем сохранят полную работоспособность без единого отказа.

Подставив значения из формул 4.9 и 4.10 в формулу 4.2 можно сделать вывод, что канал ГНСС имеет меньшую надежность, в отличии от СП-200 до модернизации.

Вероятность безотказной работы модернизированной системы СП-200 за межремонтный ресурс определяется по формуле:

(4.11)

Таким образом вероятность безотказной работы модернизированной системы СП-200 за межремонтный ресурс составляет 22,15%, что на 8,68% больше, чем у СП-200 до модернизации.

Наработка на отказ – это показатель надежности техники или оборудования, который отражает, сколько часов (или циклов работы) устройство проработает в среднем до того, как сломается.

Наработка на отказ у модернизированной системы расчитывается по формуле:

(4.12)

Подставив значения из формул 4.5 и 4.7 в формулу 4.12 мы получим:

(4.13)

Как показал расчет, исходная система СП-200 имеет наработку на отказ около 4988 часов. Модернизированная гибридная система с параллельным каналом ГНСС демонстрирует наработку на отказ 7012 часов, что на 40,5% выше, чем у исходной системы. Прирост надежности обеспечивается за счет ортогонального резервирования каналов, построенных на различных физических принципах.

За межремонтный ресурс 10000 часов вероятность безотказной работы исходной системы СП-200 составляет всего 13,47%, что свидетельствует о высокой вероятности отказа за этот период. Модернизированная система показывает вероятность безотказной работы 22,15%, что показывает относительный прирост надежности.