РАДИОМАЯК ДЛЯ ЗАХОДА И ПОСАДКИ ВЕРТОЛЕТОВ НА ОГРАНИЧЕННУЮ ПЛОЩАДКУ В ОТСУТСТВИЕ ВИДИМОСТИ ЗЕМЛИ Российский патент 1997 года по МПК G01S1/18 G01S1/56 

Изобретение относится к радионавигации и может использоваться в системах посадки летательных аппаратов, в частности, вертолетов, на ограниченные посадочные площадки в сложных метеоусловиях.

Известны два радиотехнических метода для посадки вертолетов: с помощью радиолокаторов и с помощью радиомаячных систем посадки.

Радиолокационные системы посадки вертолетов на палубу корабля, например AN/SPH-42 /1/, состоят из передатчика, антенны, приемника, вычислителя и передающего устройства координат на борт летательного аппарата.

Радиолокаторы обеспечивают заход на посадку вертолетов до высоты 15 м, при этом корабль должен выдерживать курс против ветра.

Недостатками радиолокационной системы посадки являются: сложность, наличие обслуживающего персонала; пониженные точность и частота обновления информации; наличие дополнительной линии связи корабль-борт для передачи координат, что понижает надежность системы.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому устройству является радиомаячная микроволновая система захода летательных аппаратов на посадку для аэродрома МЛС /2/, которая обеспечивает траекторию захода на посадку с пробиванием облачности по радиолучам с удаления 35 км: по курсу до конца взлетно-посадочной полосы, по углу места до точки перед началом ВПП с высотой 15-60 м.

Передача сигналов радиомаяками производится попеременно на одной частоте стандартным для этой системы форматом сигнала, в котором перед угломерной информацией передается ключевой код маяка, а угломерная информация излучается в виде сканирующего "туда-обратно" луча и определяется на борту самолета по разности времени его приема, которое зависит от угловых положений самолета: для курса относительно оси взлетно-посадочной полосы, для глиссады - относительно горизонта.

Наземное оборудование МЛС состоит из азимутального и угломестного радиомаяков, которые расположены относительно взлетно-посадочной полосы следующим образом: азимутальный радиомаяк за полосой на ее оси, угломестный справа или слева вблизи начала полосы.

Азимутальный радиомаяк системы посадки состоит из фазированной антенной решетки с несколькими линейными рядами излучателей, образующими плоскость и соединенными через распределительное устройство с передатчиком.

Угломестный радиомаяк состоит из фазированной антенной решетки с одним вертикально расположенным линейным рядом излучателей, соединенных через распределительное устройство с передатчиком.

Фазированные антенные решетки радиомаяков создают два поочередно сканирующих луча, образующих систему координат для захода самолета на посадку в пространстве, ограниченном секторами: в горизонтальной плоскости ±40^o от оси ВПП, в вертикальной плоскости 1,5 15^o относительно горизонта.

Бортовое оборудование системы МЛС имеет вычислитель, который позволяет обеспечивать сложные траектории захода на посадку в пределах зоны действия угломерной координатной сетки наземного оборудования.

Недостатком прототипа является то, что он предназначен для захода летательных аппаратов на аэродромы и не может обеспечить необходимые траектории для посадки вертолетов на ограниченные площадки.

Основные же требования к посадочным траекториям вертолетов следующие:
направление захода на посадку должно быть с любого из четырех направлений против ветра,
на последнем этапе посадки должны быть обеспечены крутые вплоть до вертикали траектории снижения,
должно обеспечиваться снижение вплоть до приземления.

Задача, решается предполагаемым изобретением, состоит в том, чтобы в сложных метеоусловиях обеспечить заход и посадку вертолетов на ограниченную площадку (30•30 м), а также приземление по приборам в условиях полного отсутствия зрительной ориентировки при завихрении от винта заснеженной (запыленной) площадки в хороших погодных условиях.

Решение поставленной задачи достигается тем, что:
две фазированные антенные решетки, являющиеся частями азимутально-посадочного радиомаяка, имеющие ряды излучателей, соединенные через распределительные устройства и переключатель с передатчиком, располагаются за периметром посадочной площадки таким образом, что оси симметрии апертур антенных решеток перпендикулярны ортогональным осям площадки;
каждый ряд излучателей, образующих апертуры обеих фазированных антенных решеток, представляет собой вертикально расположенную дугу, а каждый одиночный излучатель расположен на внешней стороне дуги.

Сравнительный анализ показывает, что заявляемый радиомаяк отличается от прототипа количеством и конструкцией антенн, а также их местоположением относительно точки приземления летательного аппарата.

Эти признаки дают следующие новые свойства:
создают круговую зону азимутальных сигналов для ориентации вертолета при заходе на площадку;
образуют в районе посадочной площадки область пространственных координат для посадки вертолета, включая элементы крутого снижения по любым траекториям вплоть до вертикали, с целью полного приземления вертолета в условиях отсутствия видимости земли.

Предлагаемое устройство можно использовать для азимутального ориентирования при обеспечении полетов и посадки вертолетов с целью обеспечения работ по нефтегазодобыче, геологоразведке и других ведомств между несколькими точками, образующими куст посадочных площадок как средство ближней навигации, обеспечивающее перелет вертолета из зоны в зону в сложных метеорологических условиях.

На фиг.1 представлен состав азимутально-посадочного радиомаяка: 1 - передатчик, 2 высокочастотный переключатель, 3 фазированная антенная решетка, 4 фазированная антенная решетка, 5 высокочастотное распределительное устройство, 6 излучатели.

На фиг.2 представлено размещение радиомаяка: 7 посадочная площадка.

На фиг.3 представлена конструкция излучателей антенн радиомаяка.

На фиг.4 представлены сканирующие лучи фазированной антенной решетки.

На фиг. 5 поясняется работа системы: 8 след азимутальной плоскости, 9 - след плоскости посадочного азимута, 10 сканирующие лучи.

На фиг. 6 представлен бортовой пилотажный прибор посадки: 11 - вертикальная планка индикатора курса, 12 горизонтальная планка индикатора глиссады.

На фиг.7 представлена область азимутальных сигналов радиомаяка.

Радиомаяк для посадки вертолетов (фиг.1) состоит из передатчика 1, соединенного через высокочастотный переключатель 2 с двумя антенными фазированными решетками 3, 4, каждая из которых, в свою очередь, состоит из высокочастотного распределительного устройства 5 и подключенного к нему набора линейных рядов излучателей 6, образующих апертуры антенн. Фазированные антенные решетки размещаются за периметром посадочной площадки на ее ортогональных осях таким образом, что оси симметрии апертур перпендикулярны осям площадки (фиг.2).

Каждый ряд излучателей, образующих апертуры обеих фазированных антенных решеток, представляет собой дугообразные линии, причем все одиночные излучатели их расположены на внешней стороне ряда. Конкретное конструктивное выполнение такой антенны может представлять собой, например совокупность волноводных щелевых излучателей (фиг.3).

Радиомаяк работает следующим образом.

Сигнал с выхода передатчика поступает попеременно через высокочастотный переключатель и распределительные устройства на линейные ряды волноводно-щелевых излучателей фазированных антенных решеток.

Формат сигнала радиомаяка идентичен формату сигнала МЛС: перед излучением угловой информации в эфир передается ключевой код, присвоенный каждой антенне, угломерная информация излучается в виде сканирующего "туда-обратно" луча и определяется на борту самолета по разности времени его приема, которое зависит от угловых положений самолета.

Каждая антенна формирует луч (фиг.4), узкий в горизонтальной плоскости и широкий в вертикальной, с необходимой рабочей зоной, обеспечиваемой максимальным излучением и в противоположные стороны и минимальным вверх (на фиг.4 эта зона заштрихована).

При сканировании в положении нормали в апертуре антенны луч представляет собой плоскость, а при отклонении луча преобразуется в коническую поверхность, сворачивающуюся тем сильнее, чем больше угол его отклонения (3).

На фиг.5 поясняется работа системы по одному из направлений посадки.

Сходящиеся к центрам фазированной антенной решетки 3 поверхности сканирующего луча являются азимутальными (на чертеже показаны их следы 8 на горизонтальной плоскости).

Наведение вертолета, заходящего на площадку, производится пилотом в плоскости посадочного азимута (со следом 9), проходящей через центр антенны и центр площадки, по положению вертикальной планки 11 бортового пилотажного прибора (фиг.6), которая смещается от центра шкалы пропорционально угловому отклонению вертолета от посадочного азимута.

Сканирующие лучи 10 антенной решетки 4 (на чертеже показаны частично) образуют конические поверхности с разворотом во внешнюю сторону, а в пересечении с плоскостью посадочного азимута гиперболические линии в асимптотами, исходящими из центра посадочной площадки.

Сигналы антенной решетки 4 используются для определения углового смещения вертолета относительно центра площадки в процессе снижения и посадки по положению горизонтальной планки 10 пилотажного прибора.

При входе вертолета в зону излучения решетки 4 (как правило, на высоте 60 м) планка 10 зашкаливает вверх, сигнализируя этим о начале снижения и по мере приближения вертолета к центру площадки опускается к центру шкалы прибора, индицируя пределы минимально допустимых высот, которые должен выдерживать пилот на соответствующих удалениях от центра площадки.

Таким образом, ручное пилотирование в отсутствии видимости земли сводится к наведению вертолета в горизонтальной плоскости в направлении перекрестия планок с одновременным сбором высоты вертолета при попадании перекрестия в соответствующую окружность до значений, на них обозначенных.

При автоматическом режиме работы (с приемником МЛС-85) траектория вычисляется и выдается в автопилот.

Сканирующие лучи каждой антенной решетки направлены в противоположные стороны, а антенны равнозначны. Это позволяет, установив на борту код выбранного направления посадки, производить заход на площадку с любой из четырех сторон.

При секторах сканирования, равных 45^o, в окружающем радиомаяк пространстве образуется круговая область вертикальных плоскостей азимутальных сигналов радиомаяка (фиг.7), по которым обеспечивается вывод вертолета на посадочный азимут с любого направления подхода в круговую зону действия радиомаяка.

Неоднозначность азимутов противоположных секторов исключается идентичным ориентированием всех радиомаяков относительно стран света и введением в программу обработки сигналов на борту выбранного азимута захода на посадку, который при полете непрерывно сравнивается с показаниями магнитного компаса.

При условии соответствия формата сигнала радиомаяка стандартам микроволновой системы посадки в качестве приемного устройства вертолета можно быть использовано бортовое оборудование системы посадки МЛС (например, отечественного МЛС-85).

При этом состав и конфигурация процессора бортового приемника не изменяется, а требуются лишь некоторые изменения в программе. В отличие от посадки самолета по системе МЛС на аэродромы, где пилотирование происходит по прямой линии под малым углом места, снижение вертолета в процессе посадки на ограниченную площадку с помощью предлагаемой системы значительно отличается тем, что происходит по кривой с нарастанием угла места вплоть до 90 ^o в центре площадки.

Для вычисления требуемой посадочной криволинейной траектории процессор бортового приемника вырабатывает значения необходимых координат на основе измерений текущего угла места и его производной.

Исследования угломерных сигналов у поверхности земли в ближней зоне азимутального радиомаяка МЛС с помощью бортового приемника МЛС-85 показали, что азимутально-посадочной радиомаяк позволяет обеспечить заход на посадку и посадку вертолета на ограниченную площадку до полного приземления в условиях отсутствия видимости земли.

Подобные устройства ни в отечественной, ни в зарубежной литературе не описаны и в практике неизвестны.

Использование: посадка летательных аппаратов на ограниченные посадочные площадки в сложных метеоусловиях. Сущность изобретения: радиомаяк содержит две фазированные антенные решетки 3, 4, имеющие ряды излучателей 6, соединенные высокочастотным трактом через распределительные устройства 5 и переключатель 2 с передатчиком 1 и расположенные за периметром посадочной площадки на взаимно перпендикулярных осях, проходящих через центр площадки на одинаковом удалении от нее, излучатели каждого ряда расположены на внешней стороне линии, представляющей собой две вертикальные прямые, сопряженные в верхней части с другой. 7 ил.

Радиомаяк для захода и посадки вертолетов на ограниченную площадку в отсутствие видимости земли, содержащий две фазированные антенные решетки, апертуры которых состоят из рядов излучателей, соединенных через распределительные устройства и переключатель с передатчиком, отличающийся тем, что обе фазированные антенные решетки расположены за периметром посадочной площадки, на взаимно перпендикулярных осях, проходящих через центр площадки, на одинаковом удалении от нее, плоскости апертур фазированных антенных решеток перпендикулярны указанным осям, а излучатели каждого ряда расположены на внешней стороне линии, представляющей собой две вертикальные прямые, сопряженные в верхней части с другой.