СИСТЕМА КОНТРОЛЯ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ Российский патент 1997 года по МПК G05D1/10 

Изобретение относится к авиационным комплексам, обеспечивающим условия для снижения аварийности при посадке.

Известны технические решения, предлагаемые для посадки на аэродромы без наземного радиотехнического оборудования. Отклонение от курса посадки вычисляется устройством по сигналам бортовой радиолокационной станции (БРЛС), взаимодействующей: 1) с двумя пассивными отражателями, расположенными на концах взлетно-посадочной полосы (ВПП) [1] 2) с одним пассивным отражателем, расположенным в точке, равноудаленной от торцов ВПП при фиксированном смещении от ее продольной оси [2] Известные системы не обеспечивают безаварийной работы по сравнению со стационарными посадочными комплексами, например ILS, СП-50. Однако из-за высокой стоимости и низкой эффективности эксплуатации вышеуказанных комплексов они непригодны для использования на небольших или редко используемых ВПП (частных, временных, запасных). Исходя из этого возникает необходимость в аппаратурном комплексе, который, сводя к минимуму риск аварийности при посадке, максимально удовлетворял комплексу противоречивых требований, определенных спецификой упомянутых ВПП:
компактность и мобильность;
минимум сигнального обустройства ВПП (светового, радиотехнического);
возможность безоператорной эксплуатации наземного оборудования;
низкая потребительская стоимость, минимум затрат на эксплуатацию.

В качестве аналога, в определенной степени соответствующего приведенным требованиям, можно рассматривать техническое решение, предназначенное для случаев, когда летательные аппараты не оснащены БРЛС. Там предлагается аппаратурный комплекс наземного базирования, взаимодействующий со специализированной бортовой аппаратурой. По сравнению с известными предложениями решается весь комплекс задач (выведение на заданный курс, контролируемое снижение по оптимальной траектории и контроль положения летательного аппарата на ВПП), но достигается это достаточно значительным объемом аппаратуры. Т.е. приведенные выше требования реализуются лишь частично. Повышающиеся требования к безопасности полетов делают перспективным оснащение БРЛС даже небольших самолетов, что сегодня не представляет технических и технологических проблем. Исходя из этого наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству является система [2] включающая: БРЛС, блок обработки сигналов, датчик курсового угла и вычислитель рассогласования с линией курса на ВПП. Недостаток известного устройства - ограниченные возможности, вследствие чего не обеспечивается контроль наиболее сложного этапа посадки (траектории глиссады).

Цель настоящего изобретения повышение безопасности при посадке летательных аппаратов, оснащенных БРЛС, на ВПП, имеющих жесткие ограничения по требованиям к стоимости и обслуживанию наземного посадочного оборудования.

Цель достигается реализацией системы, состоящей из пассивного отражателя, расположенного в точке, равноудаленной от торцов ВПП при фиксированном смещении от ее продольной оси, и бортового устройства, содержащего последовательно соединенные антенный блок БРЛС, антенный переключатель, вторым входом соединенный с формирователем зондирующих импульсов, приемник СВЧ-сигналов, монитор БРЛС, соединенный с выходами блока разверток, подключенного к первому выходу синхронизатора. Второй выход последнего через блок антенного привода соединен с антенным блоком БРЛС, а третий выход синхронизатора подключен ко входу формирователя зондирующих импульсов, выход которого одновременно подключен ко входу вычислителя наклонной дальности, вторым входом подключенного к выходу оптимального обнаружителя, одновременно соединенного со входом блока фиксации угла излучения. Второй вход последнего подключен к выходу сумматора, первым входом соединенного с выходом датчика курсового угла, а вторым входом с выходом блока антенного привода. Второй вход антенного переключателя подключен к четвертому выходу синхронизатора, дополнительные входы которого соединены с блоком управления режимами БРЛС. Выход блока фиксации угла излучения подключен ко входу первого вычитателя, выход которого соединен со входом вычислителя горизонтального смещения, второй вход которого подключен к первому выходу блока хранения параметров ВПП, вторым выходом соединенного со вторым входом первого вычитателя. Между выходом приемника СВЧ-сигналов и входом оптимального обнаружителя включен блок стробирования, дополнительными входами соединенный с выходом блока фиксации угла излучения и выходом вычислителя наклонной дальности, одновременно соединенного с вычислителем горизонтальной дальности, вторым входом подключенного к выходу высотомера. Выход вычислителя горизонтальной дальности соединен с третьим входом вычислителя горизонтального смещения и через вычислитель расстояния до ВПП, вторым и третьим входами подключенного соответственно к выходу первого вычитателя и третьему выходу блока хранения параметров ВПП, соединен с последовательно включенными: программным датчиком оптимальной высоты глиссады, вторым вычитателем, вторым входом подключенного к выходу высотомера и блока визуализации вертикального отклонения, вторым входом соединенного с выходом формирователя сигналов допустимых рассогласований. Упомянутый выход одновременно подключен ко входу блока визуализации горизонтального отклонения, второй вход которого соединен с выходом вычислителя горизонтального смещения, а вход формирователя сигналов допустимых рассогласований подключен к выходу вычислителя расстояния до ВПП.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемой системы посадки, где 1 блок уголковых отражателей, 2 антенный блок БРЛС, 3 антенный переключатель, 4 формирователь зондирующих импульсов, 5 приемник СВЧ-сигналов, 6 монитор БРЛС, 7 блок разверток, 8 синхронизатор, 9 - блок антенного привода, 10 вычислитель наклонной дальности, 11 оптимальный обнаружитель, 12 блок фиксации угла излучения, 13 сумматор, 14 датчик курсового угла, 15 блок управления режимами БРЛС, 16 первый вычитатель, 17 вычислитель горизонтального смещения, 18 блок хранения параметров ВПП, 19 блок стробирования, 20 вычислитель горизонтальной дальности, 21 - высотомер, 22 вычислитель расстояния до ВПП, 23 программный датчик оптимальной высоты глиссады, 24 второй вычитатель, 25 блок визуализации вертикального отклонения, 26 формирователь сигналов допустимого рассогласования, 27 блок визуализации горизонтального отклонения, 28 - фиксатор недопустимых рассогласований, 29 аварийный сигнализатор, 30 блок индикации дальности; на фиг.2 горизонтальная проекция захода на посадку; на фиг.3 вертикальная проекция захода на посадку.

Совместная работа БРЛС и вновь введенных блоков осуществляется следующим образом. Синхронизатор 8, управляемый блоком режимов 15, формирует на выходах импульсы, координирующие работу всех блоков системы. С выхода блока 4 зондирующие СВЧ-импульсы поступают на антенный блок 2 с узкой диаграммой направленности в горизонтальной плоскости. Зондирующий импульс представляет собой короткую серию СВЧ-сигналов. Длину серии и частоту ее подачи определяет модулятор, входящий в состав формирователя 4, в зависимости от выбора масштаба и режимов работы БРЛС. Блок антенны 2 является приемопередающим благодаря работе антенного переключателя 3, который попеременно подключает антенну 2 к выходу формирователя 4 (когда нужно излучить зондирующий сигнал) и ко входу приемника СВЧ-сигналов 5 (когда нужно принять отраженный импульс). Сканирование блока антенны 2 в горизонтальной плоскости задается блоком привода 9, синхронном с блоком разверток 7. С блока привода 9 снимается сигнал, пропорциональный угловому положению Q_t антенны 2 (относительно продольной оси симметрии самолета), который в блоке 13 суммируется с курсовым углом γ_k летательного аппарата, снимаемого с выхода датчика 14 относительно магнитной системы координат: j_t= γ_k +Q_t. Операция приведения ограничивает масштаб выходного значения: если j_t≥360, то jнt

j_t 360, иначе jнt j_t. То есть в блок 13 входит логический узел сравнения, по сигналу которого выполняется дополнительная операция. Результат вычисления хранится в регистре памяти до нового 00000обновления.

Отраженные от цели сигналы поступают на вход приемника СВЧ 5 и посредством яркостной модуляции проецируются на экране монитора БРЛС 6. Пилот, наблюдая яркостные засветки, посредством ручного управления разрешает прохождение через блок стробирования 19 выходных сигналов приемника 5 на вход обнаружителя 11. В последнем заложена оптимальная структура фильтрации и порогового опознания сигнала от цели (уголкового отражателя) на основании заданных апприорных данных. Наклонная дальность до цели R_t определяется вычислителем 10 по временной задержке (с учетом двойного расстояния и скорости распространения излучения) между опорным и отраженным импульсами, которые снимаются с выхода формирователя 4 и оптимального обнаружителя 11. В момент фиксации обнаружения в регистр памяти блока фиксации 12 заносится соответствующее ему значение углового положения антенного излучателя 2: j_ф=jнt

В последующих циклах антенного сканирования прохождение сигнала на вход обнаружителя 11 будет регламентироваться величинами стробов по углу и дальности, выбранных с учетом скорости самолета, периода сканирования антенного излучателя, требований к вероятности захвата цели и т.п. Таким образом, повышается помехоустойчивость системы привязки к заданной координате. Здесь мы имеем реализацию ручного и автоматического захвата цели. Индикация захвата может иметь множество модификаций, поэтому не отражена на функциональной схеме. В некоторых случаях при масштабировании изображения на мониторе БРЛС 6 необходимо предусмотреть меры, сохраняющие неизменными параметры функционирования блоков стробирования 19 и оптимального обнаружителя 11 с целью исключения срыва слежения (потеря опорной координаты). Вычислитель 20 горизонтальной дальности (d_t) до уголкового отражателя (фиг.3) своей структурой реализует последовательность операций: 1) определяется угол (α) наклонной дальности R_t
α=arcsin(H_t/R_t) (I)
где H_t текущее значение высоты с блока 21;
R_t наклонная дальность, снимаемая с вычислителя 10;
2) определяется горизонтальная дальность d_t до отражателя
d_t= R_tcosα (2)
Привязка углового положения антенны БРЛС 2 к магнитной системе координат и априорная информация об угловой ориентации (β_п) ВПП (в той же системе координат) позволяет определить текущее угловое рассогласование Δβ, реализуемое первым вычитателем 16: В зависимости от направления посадки (регламентируется направлением и скоростью ветра) β_п или (β_п+180)__→βjп принимает соответственно значения (β_п+180) или β_п Величина βjп заложена в регистре памяти блока 18. Текущее смещение ΔX самолета от продольной оси ВПП (фиг.2) определяется структурой вычислителя 17, реализующего функцию:
ΔX = d_t•sin(Δβ)-m (3)
где m величина фиксированного смещения отражателя относительно продольной оси ВПП, заложенная в регистре памяти блока 18. Помимо курсового отклонения ΔX к основной относится и информация о текущем расстоянии S_y до точки приземления, вычисление которого обеспечивается структурой блока 22
S_y=d_t•cos(Δβ)-l/2 (4)
где l рабочая длина ВПП. Параметр l/2 заложен в соответствующем регистре блока 18. Информация о параметрах ВПП может вводиться в блок 18 из бортового банка данных, либо вноситься по радиоканалу непосредственно перед посадкой. Реализация приведенных вариантов не представляет технических сложностей.

Информация о текущем расстоянии S_y до ВПП обеспечивает на выходе программного датчика 23 соответствующее ему оптимальное значение высоты (H_opt), реализуя алгоритм выбора траектории глиссады на борту самолета. Второй вычитатель 24 реализует функцию вертикального рассогласования ΔHH_opt- H_t, которая отражается блоком визуализации 25, где одновременно индуцируются граничные метки (значения) допустимого рассогласования в соответствии с сигналами формирователя 26. Последний реализует вычисление сигналов допустимых рассогласований (I_max). Физический смысл величины I_max представляется как тангенс максимально допустимого углового отклонения, которое определено в Указании МГА 3.1 48 от 28.08.79. Согласно этому документу I_max=0,032, что позволяет по текущему значению S_y вычислять допустимые отклонения (±Δ_гр.) траектории снижения и бокового уклонения |Δ_гр.|I_maxS_y. Ведомственная инструкция не исключает международных стандартов ограничений, причем последние могут быть различными для вертикального и горизонтального отклонений. Визуализация горизонтального смещения Δx обеспечивается блоком 27, одновременно индуцирующим допустимые граничные значения, вырабатываемые формирователем 26.

Возникает вопрос о погрешности измерения, которая во многом зависит от технических характеристик БРЛС и блоков системы. Практическая реализация приведенных алгоритмов вычислителей и логических блоков системы не представляет сложностей, т.е. может быть обеспечена аппаратурным либо программным способом. Второй вариант более предпочтителен, хотя не исключено и их разумное сочетание, принимая во внимание, что функциональные блоки БРЛС - это аппаратурная реализация. Точность измерения во многом зависит от дискретности счисления. Последняя может быть существенно уменьшена исключением сканирования антенны БРЛС в неинформативных секторах. Полезным сектором сканирования является пространство между угловым параметром ВПП (βоп

) и уголковым отражателем. Блок управления БРЛС 15 может задавать режим отслеживания заданного пространства изменением направления сканирования (переход от кругового сканирования к секторному). Источником погрешности системы является и инструментальная точность высотомера 21. На дальних подступах к ВПП, как правило, используют барометрические высотомеры, обеспечивающие на этом этапе полета вполне приемлемую точность. В зоне, примыкающей к ВПП, предпочтение отдается радиовысотомеру с непрерывным излучением (например, РВ 2 с диапазоном 0 1200 м и погрешностью 1 + 2,5%•H_t).

В случае необходимости несложно введение согласующего блока, позволяющего вывести визуальную информацию отклонений от заданной траектории планирования (бл. 25, 27) на экран монитора. Предпочтительно объединение блоков 25, 27 в единый модуль, где электронное изображение рассогласования отражается в виде подвижной яркостной точки относительно оптического перекрестья, взаимное положение которых дублируется цифровыми параметрами. Введением в состав блоков 25, 27 узлов дифференцирования по времени возможно преобразование пространства координат в пространство скоростей.

Энергия отраженного сигнала, поступающая в антенну БРЛС, зависит от наклонной дальности до уголковых отражателей. Внесение в бортовой обнаружитель 11 информации о текущем значении R_t позволяет соответствующим образом оптимизировать его параметры, повышая этим помехоустойчивость системы.

Ошибками пилотирования при посадке являются отклонения траектории самолета за пределы допустимых ограничений. Блоки 28, 29 фиксируют нарушения записывающей аппаратурой и информируют об этом пилота аварийной сигнализацией (световой, звуковой).

Фиксатор 28, проводя логический анализ нарушений по определенной градации (в зависимости от расстояния до точки приземления), имеет возможность воздействовать на выходной сигнал программного датчика 23, запрещая, таким образом, дальнейшее снижение. Вследствие возрастания значения на выходе блока 23 аварийный сигнализатор 29 находится в режиме длительного функционирования, что психологически мобилизует внимание пилота.

Информацию а пробеге самолета по ВПП (относительно планируемой точки приземления) дает приведенное выражение (4). Если принять, что более показательной является информация об остаточной величине ВПП S_ост. (расстояние до ее конца), то вычисление проводится по выражению
S_ост= d_t•cos(Δβ)+l/2 (5)
Из сравнения выражений (4) и (5) несложно увидеть константу различий, которая легко устраняется внесением в блок 30 информации о длине l ВПП с блока 18. На индикаторе блока 30 возможно отражение информации о расстоянии S_y до предполагаемой точки приземления (на этапе планирования).

Заслуживает внимания вопрос конструкции отражающей поверхности (количество и расположение отдельных элементов). Отраженный сигнал должен иметь определенные специфические параметры, чтобы быть уверено узнаваемым бортовым обнаружителем 11 даже при больших отклонениях от заданного курса посадки. Параметры отраженного сигнала: амплитуда и длительность функции частоты излучателя, суммарной площади отражающей поверхности и их упорядоченной компоновки. Они обеспечиваются соответствующей "гирляндой" N-го количества отражающих модулей, оптимизированных по рабочим частотам излучений и конструктивным габаритам. Это не представляет сложностей, принимая во внимание дешевизну унифицированных элементов конструкции. Требуемые параметры сигнала обеспечиваются взаимными смещениями отражающих модулей по глубине (дальности), плоскости и угловой ориентации. В некоторых случаях ( при изменении направления посадки и наличии ограничений на количество отражающих модулей) возможно расположение "гирлянды" на вращающейся платформе с угловой фиксацией.

Использование: в авиации. Сущность: система контроля посадки летательных аппаратов содержит блок уголковых отражателей, антенный блок, антенный переключатель, формирователь зондирующих импульсов, приемник СВЧ-сигналов, монитор, блок разверток, синхронизатор, блок антенного привода, вычислитель наклонной дальности, оптимальный обнаружитель, блок фиксации угла излучения, сумматор, датчик курсового угла, блок управления режимами, два вычитателя, вычислитель горизонтального смещения, блок хранения параметров ВПП, блок стробирования, вычислитель горизонтальной дальности, высотомер, вычислитель расстояния до ВПП, программный датчик оптимальной высоты глиссады, блок визуализации вертикального отклонения, формирователь сигналов допустимого рассогласования, блок визуализации горизонтального отклонения, фиксатор недопустимых рассогласований, аварийный сигнализатор, блок индикации дальности. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Система контроля посадки летательных аппаратов, состоящая из пассивного отражателя, расположенного в точке, равноудаленной от торцов взлетно-посадочной полосы (ВПП) при фиксированном смещении от ее продольной оси, и бортового устройства, содержащего последовательно соединенные антенный блок бортовой радиолокационной станции (БРЛС), антенный переключатель, вторым входом соединенный с формирователем зондирующих импульсов, приемник СВЧ-сигналов и монитор БРЛС, соединенный с выходами блока разверток, подключенного к первому выходу синхронизатора, второй выход которого через блок антенного привода соединен с антенным блоком БРЛС, а третий выход синхронизатора подключен к входу формирователя зондирующих импульсов, выход которого одновременно подключен к входу вычислителя наклонной дальности, вторым входом подключенного к выходу оптимального обнаружителя, одновременно соединенного с входом блока фиксации угла излучения, вторым входом подключенного к выходу сумматора, первым входом соединенного с выходом датчика курсового угла, а вторым с выходом блока антенного привода, при этом второй вход антенного переключателя подключен к четвертому выходу синхронизатора, дополнительные входы которого соединены с блоком управления режимами БРЛС, а выход блока фиксации угла излучения подключен к входу первого вычитателя, выход которого соединен с входом вычислителя горизонтального смещения, второй вход которого подключен к первому выходу блока хранения параметров ВПП, вторым выходом соединенного с вторым входом первого вычитателя, отличающаяся тем, что между выходом приемника СВЧ-сигналов и входом оптимального обнаружителя включен блок стробирования, дополнительными входами соединенный с выходом блока фиксации угла излучения и выходом вычитателя наклонной дальности, одновременно соединенного с вычислителем горизонтальной дальности, вторым входом подключенного к выходу высотомера, а выход вычислителя горизонтальной дальности соединен с третьим входом вычислителя горизонтального смещения и через вычислитель расстояния до ВПП, вторым и третьим входами подключен соответственно к выходу первого вычитателя и третьему выходу блока хранения параметров ВПП, соединен с последовательно включенными программным датчиком оптимальной высоты глиссады, вторым вычитателем, вторым входом подключенным к выходу высотомера, и блоком визуализации вертикального отклонения, вторым входом соединенным с выходом формирователя сигналов допустимых рассогласований, одновременно подключенного к входу блока визуализации горизонтального отклонения, второй вход которого соединен с выходом вычислителя горизонтального смещения, а вход формирователя сигналов допустимых рассогласовании подключен к выходу вычислителя расстояния до ВПП. 2. Системы по п.1, отличающаяся тем, что оптимальный обнаружитель дополнительным входом подключен к выходу вычислителя наклонной дальности. 3. Система по п.1, отличающаяся тем, что введены последовательно соединенные аварийный сигнализатор и фиксатор недопустимых рассогласований, соответствующими входами подключенный к выходам вычислителя горизонтального смешения, формирователя сигналов допустимого рассогласования, вычислителя расстояния до ВПП и второго вычитателя. 4. Система по п.1, отличающаяся тем, что дополнительный выход фиксатора недопустимых рассогласований подключен к второму входу программного датчика оптимальной высоты глиссады. 5. Система по п.1, отличающаяся тем, что введен блок индикации дальности, подключенный к выходу вычислителя расстояния до ВПП. 6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что второй вход блока индикации дальности подключен к третьему выходу блока хранения параметров ВПП.