creexpCrede Experto: транспорт, общество, образование, языкCrede Experto: transport, society, education, language2312-1327Иркутский филиал ФГБОУ ВО «МГТУ ГА»10.51955/2312-1327_2024_2_134creexp-123Research ArticleСИСТЕМЫ НАБЛЮДЕНИЯ И ОРГАНИЗАЦИИ ВОЗДУШНОГО ДВИЖЕНИЯ. ПРОБЛЕМЫ, ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ АВИАЦИОННЫХ СИСТЕМAIR TRAFFIC MONITORING AND MANAGEMENT SYSTEMS. ISSUES, PROSPECTS OF DEVELOPMENT AND APPLICATION OF UNMANNED AIRCRAFT SYSTEMSМетодика синтеза оптимальной по времени траектории полета беспилотного воздушного суднаThe time-optimal synthesis technique flight paths of an unmanned aircrafthttps://orcid.org/0000-0002-2006-0428СкрыпникО. Н.SkrypnikO. N.

Олег Николаевич Скрыпник, доктор технических наук, профессор

ул. Уборевича, 77, Минск, 220096

Oleg N. Skrypnik, Doctor of Technical Sciences, Full professor

77, Uborevich str., Minsk, 220096

skripnikon@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0000-7280-6490КуриленкоЕ. В.KurylenkoE. V.

Екатерина Викторовна Куриленко, аспирант

ул. Уборевича, 77, Минск, 220096

Ekaterina V. Kurylenko, post-graduate student

77, Uborevich str., Minsk, 220096

Balich1993@mail.ruБелорусская государственная академия авиацииБеларусьBelarusian State Academy of AviationBelarus20242811202502134149Copyright © Скрыпник О.Н., Куриленко Е.В., 20252025Скрыпник О.Н., Куриленко Е.В.Skrypnik O.N., Kurylenko E.V.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://ce.if-mstuca.ru/jour/article/view/123

В статье рассмотрены методика синтеза оптимальной траектории полета БВС и алгоритм системы управления полётом. Система и алгоритм разработаны для четырёхмерных (4D) операций на основе траекторий (TBO) в контексте концепций CNS/ATM и PBN, что позволит повысить операционную эффективность процессов навигации и пилотирования БВС. В работе представлена математическая модель объекта управления и алгоритмы формирования оптимальной по времени траектории полета. Также представлена оценка предложенной методики путем верификации и валидации программного обеспечения системы с помощью имитационного моделирования. Полученные результаты демонстрируют функциональные возможности системы управления по созданию оптимальных по времени профилей траекторий, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям.

The article considers the method of synthesis of an optimal UAV flight path and an algorithm of the flight control system. The system and algorithm are designed for four-dimensional (4D) trajectory-based operations (TBO) in the context of the CNS/ATM and PBN concepts, which will increase the operational efficiency of the UAV navigation and piloting processes. The paper presents a mathematical model of the control object and algorithms for forming a time-optimal flight path. An assessment of the proposed methodology is also presented by verifying and validating the system software using simulation modeling. The results obtained demonstrate the functional capabilities of the control system to create time-optimal profiles of trajectories that meet operational requirements.

беспилотное воздушное судно (БВС)система управленияоптимальная траектория полетаunmanned aerial vehicle (UAV)control systemoptimal flight pathРабота выполнена при финансовой поддержке Белорусского республиканского фонда фундаментальных исследований (грант Т23-029).ReferencesБелинская Ю. С. Метод накрытий для терминального управления с учетом ограничений // Дифференциальные уравнения / Ю. С. Белинская, В. Н. Четвериков. 2014. Т. 50, № 12. С. 1629. DOI 10.1134/S0374064114120073. EDN TAJWXB.Belinskaya Yu. S., Chetverikov V. N. (2014). The method of covers for terminal control, taking into account restrictions. Differential equations. 50(12): 1629 р. (in Russian)Канатников А. Н. Задача терминального управления движением летательного аппарата. Нелинейная динамика и управление. / А. Н. Канатников, Е. А. Шмагина. М.: Физматлит, 2010. С. 79-94.Chernous'ko F. L. (1965). The method of local variations for the numerical solution of variational problems. Zh. vychisl. matem. i matem. fiz. 5(4): 749-754. (in Russian)Касаткина Т. С. Преобразование аффинных систем к каноническому виду с использованием замен независимой переменной // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. № 7. С. 285-298. EDN RMYEDJ.Fetisov D. A. (2014). Solving terminal problems for multidimensional affine systems based on the transformation to a quasi-canonical form. Vestnik MGTU im. N. E. Baumana. Estestvennye nauki, 5(56): 16-31. (in Russian)Краснощёченко В. И. Нелинейные системы: геометрические методы анализа и синтеза / В. И. Краснощёченко, А. П. Крищенко. М.: Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 2005. 520 с. EDN QJOUIR.Global TBO Concept (Version 0.11). By the ICAO Air traffic management requirements and performance panel (ATMRPP) (2019). Available at: https://www.icao.int/airnavigation/tbo/PublishingImages/Pages/Why-Global-TBO-Concept/Global%20TBO%20Concept_V0.11.pdf (accessed 13 May 2024).Крищенко А. П. Орбитальная линеаризация аффинных систем // Доклады Академии наук, 2013. Т. 453. № 6. С.620-623. DOI 10.7868/S0869565213360280. EDN RPASWR.Gorbatenko S. A., Makashov E. M., Polushkin Yu. F., Sheftel' L. V. (1971). Calculation and analysis of the movement of aircraft: Engineering reference book. Moscow: Mashinostroenie, 1971. 352 р. (in Russian)Крылов И. А. Решение задач оптимального управления методом локальных вариаций / И. А. Крылов, Ф. Л. Черноусько // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1966. Т. 6, № 2. С. 203-217. EDN VTAXHJ.Hoffner K., Guay M. (2009). Geometries of Single-Input Locally Accessible Control Systems. Proceedings of the ACC Conference. 1480-1484.Кузнецов М. Н. Терминальное управление аэробаллистическим высокоскоростным ЛА: специальность 05.13.01 «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)» : диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Кузнецов Максим Николаевич. Москва, 2013. 145 с. EDN SUZNCB.Kanatnikov A. N., Shmagina E. A. (2010). The task of terminal motion control of the aircraft. Nonlinear dynamics and contr. Moscow: Fizmatlit, 2010. P.79-94. (in Russian)Моисеев В. С. Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами: монография. Казань: ГБУ Республиканский центр мониторинга качества образования. Серия «Современная прикладная математика и информатика», 2023. 768 с.Kasatkina T. S. (2013). Transformation of affine systems to a canonical form using substitutions of an independent variable. Nauka i Obrazovanie. 7: 285-298. (in Russian)Расчет и анализ движения летательных аппаратов: Инженерный справочник. / С. А. Горбатенко, Э. М. Макашов, Ю. Ф. Полушкин, Л. В. Шефтель. М.: Машиностроение, 1971. 352 с.Krasnoshchyochenko V. I., Krishchenko A. P. (2005). Nonlinear systems: geometric methods of analysis and synthesis. Moscow: Izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2005. 520 p. (in Russian)Фетисов Д. А. Решение терминальных задач для многомерных аффинных систем на основе преобразования к квазиканоническому виду // Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана. Естественные науки. 2014. № 5(56). С. 16-31. EDN STSOUP.Krishchenko A. P. (2013). Orbital linearization of affine systems. Doklady Akademii nauk, 453(6): 620-623. (in Russian)Черноусько Ф. Л. Метод локальных вариаций для численного решения вариационных задач // Журнал вычислительной математики и математической физики. 1965. Т. 5, № 4. С. 749-754. EDN VRTIIV.Krylov I. A., Chernous'ko F. L. (1966). Solving optimal control problems by the method of local variations. Zh. vychisl. matem. i matem. fiz. 6(2): 203-217. (in Russian)Global TBO Concept (Version 0.11). By the ICAO Air traffic management requirements and performance panel (ATMRPP) [Электронный ресурс]. – 2019. URL: https://www.icao.int/airnavigation/tbo/PublishingImages/Pages/Why-Global-TBO-Concept/Global%20TBO%20Concept_V0.11.pdf (дата обращения 13.05.2024).Kuznecov M. N. (2013). Terminal control of an aeroballistic high-speed aircraft. dis. …kand. tekh. nauk / M. N. Kuznecov. Moscow, 2013. 145 p. (in Russian)Hoffner K. Geometries of Single-Input Locally Accessible Control Systems / K. Hoffner, M. Guay // Proceedings of the ACC Conference. 2009. P.1480-1484.Levine J., Martin Ph., Rouchon P. (1997). Flat systems. Mini-Course. ECC' 97 European Control Conference. 54.Hybrid AI-based Dynamic Re-routing Method for Dense Low-Altitude Air Traffic Operations / Y. Xie, A. Gardi, R. Sabatini, A. Liang // IEEE/AIAA 41st Digital Avionics Systems Conference. DASC 2022. Portsmouth. VA. USA, 2022. pp. 1-9. doi: 10.1109/DASC55683.2022.9925777.Li S.-J., Respondek W. (2015). Orbital feedback linearization for multi-input control systems. International Journal of Robust and Nonlinear Control. 25(9): 1352-1378.Levine J. Flat systems. Mini-Course / J. Levine, Ph. Martin, P. Rouchon // ECC' 97 European Control Conference, Brussels, 1-4 July, 1997. P. 54.Moiseev V. S. (2023). Applied theory of control of unmanned aerial vehicles: monograph. Kazan': GBU Respublikanskij centr monitoringa kachestva obrazovaniya. Seriya «Sovremennaya prikladnaya matematika i informatika», 2023. 768 p. (in Russian)Li S.-J. Orbital feedback linearization for multi-input control systems / S.-J. Li, W. Respondek // International Journal of Robust and Nonlinear Control. 2015. V. 25, Is. 9. P. 1352-1378.Ramasamy S, Sabatini R, Gardi A, Kistan T. (2014a). Next Generation Flight Management System for Real-Time Trajectory Based Operations. Applied Mechanics and Materials. 629: 344-349.Next Generation Flight Management System for Real-Time Trajectory Based Operations / S. Ramasamy, R. Sabatini, A. Gardi, T. Kistan // Applied Mechanics and Materials. 2014а. vol. 629. pp. 344-349.Ramasamy S., Sabatini R., Gardi A. (2014b). Unmanned Aircraft Mission Management System for Trajectory Based Operations. Fourth Australasian Unmanned Systems Conference, 2014.Ramasamy S. Unmanned Aircraft Mission Management System for Trajectory Based Operations / S. Ramasamy, R. Sabatini, A. Gardi // Fourth Australasian Unmanned Systems Conference, 2014б.Skrypnik O. N. (2019). Radio Navigation Systems for Airports and Airways. Berlin: Springer Aerospace Technology, 2019. 226 p.Skrypnik O. N. Radio Navigation Systems for Airports and Airways. Berlin: Springer Aerospace Technology, 2019. 226 p.Xie Y., Gardi A., Sabatini R., Liang A. (2022). Hybrid AI-based Dynamic Re-routing Method for Dense Low-Altitude Air Traffic Operations. IEEE/AIAA 41st Digital Avionics Systems Conference. 1-9. doi: 10.1109/DASC55683.2022.9925777.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.