СПОСОБ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2003 года по МПК B64C13/18 B64F1/18 G05D1/00 

Изобретение относится к системам посадки (СП) летательных аппаратов (ЛА), в частности, к бортовым автономным СП ЛА в сложных метеоусловиях (СМУ) в любое время суток на необорудованные в радиотехническом отношении взлетно-посадочные полосы (ВПП), в том числе ровные участки дорог и земной поверхности.

Известны [1, с. 244-247; 2, с.96-103, 108-115, 187-190; 3, с.306-311, 314-318; 4, с.305-311, 339-345] радиомаячные СП ЛА метрового и сантиметрового диапазонов, состоящие из наземного и бортового радиотехнического оборудования в виде курсового, глиссадного, маркерных, азимутального, угломестного, дальномерного радиомаяков и соответствующих радиоприемников на борту ЛА; радиолокационные СП, состоящие из наземного посадочного радиолокатора и средств связи оператора с летчиком; упрощенные СП с наземным оборудованием в виде приводных радиостанций, маркерных радиомаяков, радиопеленгатора и бортового оборудования, используемого в радиомаячных СП. Однако указанные СП обладают рядом существенных недостатков: невозможность быстрого оперативного развертывания таких СП на временных ВПП, ровных участках дорог и земной поверхности из-за большой массы, габаритов и сложности оборудования, отсутствие возможности измерения дальности между ЛА и ВПП для радиомаячных СП метрового диапазона длин волн и др.

Известны также способы посадки ЛА на необорудованный радиотехническими системами аэродром с помощью системы наземных ориентиров (НО) в виде пластин [5] или сигнальных фонарей, расположенных вблизи ВПП [3, с. 355-357]. Однако существенным недостатком таких СП является необходимость визуального наблюдения летчиком НО, что в СМУ часто бывает невозможным.

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является способ автономного формирования посадочной информации для ЛА и устройство для его осуществления [6], предназначенный для посадки ЛА в условиях малой видимости на ВПП, необорудованную радиотехническими средствами посадки. Способ предусматривает выполнение следующих действий.

При заходе ЛА на посадку производят радиолокационный обзор подстилающей поверхности земли с помощью бортовой радиолокационной станции (БРЛС) с целью обнаружения ВПП и получения ее изображения на экране индикатора.

Визуально определяют боковое отклонение ЛА от глиссады в горизонтальной плоскости по отклонению оси симметрии изображения ВПП на экране индикатора относительно оси симметрии экрана индикатора и измеряют дальность до подстилающей поверхности в направлении линии визирования антенны, установленной под углом места, равном углу наклона глиссады к плоскости горизонта.

Определяют отклонение ЛА от глиссады в вертикальной плоскости по отклонению по дальности изображения на экране индикатора начала ВПП относительно дальности до подстилающей поверхности в направлении линии визирования.

Для определения ошибки управления ЛА по курсу вычисляют разность текущего курса ЛА и заданного посадочного курсового угла ВПП. Величину и знак указанной ошибки отображают на экране индикатора.

При управлении ЛА в процессе захода его на посадку, снижения и посадки совмещают метку нулевого положения антенны по азимуту с меткой продольной оси ЛА и осью симметрии изображения ВПП.

Недостатками прототипа являются: ограниченная дальность действия и низкая точность измерения дальности до начала ВПП из-за малой эффективной площади рассеяния (ЭПР) ВПП и земной поверхности при близком к нулю угле наклона диаграммы направленности антенны БРЛС относительно горизонта, большие ошибки измерения отклонения ЛА от глиссады в горизонтальной и вертикальной плоскостях, поскольку их оценка осуществляется летчиком визуально и без учета скорости отклонения ЛА от глиссады.

Таким образом, задачей изобретения является увеличение дальности действия системы посадки, повышение точности измерения отклонения ЛА от глиссады, обеспечение измерений скоростей отклонения ЛА от глиссады в горизонтальной и вертикальной плоскостях и формирование сигналов управления ЛА, обеспечивающих высокую точность выдерживания им заданной траектории посадки и, тем самым, безопасность посадки в СМУ на необорудованную радиотехническими системами посадки ВПП.

Поставленная задача достигается тем, что ВПП оснащают четырьмя НО, например, пассивными радиолокационными уголковыми отражателями [7] или маяками-ответчиками [4, с.342-344]. НО размещают (см. фиг.1) на продольной и поперечной осях симметрии ВПП у ее краев, причем считают, что НО, наиболее удаленный от заходящего на посадку ЛА, является первым (HO₁), самый близкий к ЛА - вторым (НO₂), наблюдаемый с ЛА слева от ВПП - третьим (НО₃), наблюдаемый с ЛА справа от ВПП - четвертым (НO₄). Если в указанные места по каким-либо причинам установить НО невозможно, то их размещают вблизи этих мест. Измеряют расстояния z_иi, где от НО_i до продольной оси симметрии ВПП Х₃ и расстояния х_иi от НО_i до поперечной оси симметрии ВПП Z₃, при этом к каждому измеренному значению х_иi прибавляют l/2, где l - длина ВПП, определяя тем самым координаты
х_i=x_иi+l/2
местоположения НО_i относительно О_цнвпп - центра начала ВПП.Значения координат x₁ и z₁= z_и1 HO₁, x₂ и z₂=z_и2 НО₂, х₃ и x₃=z_и3 НО₃, x₄ и x₄=z_и4 HO₄, а также значения курсового угла ВПП ψ_впп и рекомендуемое направление посадки передают на совершающий посадку ЛА, где их запоминают.

Выполняют радиолокационный обзор земной поверхности, обнаруживают сигналы четырех наземных ориентиров HO₁, НО₂, НО₃ и НО₄, по которым измеряют дальности Д₁, Д₂, Д₃ и Д₄ между ЛА и соответствующими упомянутыми НО и скорости сближения ЛА с ними соответственно. Измеряют высоту полета ЛА Н_ла, курс ЛА ψ_ла, угол тангажа ЛА ϑ_ла, угол крена ЛА γ_ла, и вертикальную скорость ЛА
По измеренным значениям дальностей Д₁, Д₃, Д₄ и запомненным значениям координат НО x₁, z₁, х₃, z₃, x₄, z₄ вычисляют координаты ЛА Х_ла и z_ла относительно центра начала ВВП в горизонтальной плоскости по формулам


Вычисляют ε_к курсовой угол ЛА - угол между осевой линией ВПП и проекцией на горизонтальную плоскость линии, соединяющей ЛА с центром начала ВПП, по формуле

и ε_г угол наклона глиссады - угол между осевой линией ВПП и проекцией на вертикальную плоскость линии, соединяющей ЛА с центром начала ВПП, по формуле

Вычисляют скорости изменения координат ЛА и скорости изменения углов по формулам:




По вычисленным значениям измеренным значениям углов ψ_ла, ϑ_ла, γ_ла и запомненному значению курсового угла ВПП ψ_{впп =} в системе автоматического управления (САУ) ЛА известным образом [1, с. 188-191] формируют сигналы управления ЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях и по ним осуществляют управление ЛА на этапах снижения и посадки.

Необходимо отметить следующее.

1. Формулы (1)-(8) были получены по фиг.1 и 2.

2. При заходе на посадку номера НО_i на ЛА всегда определяют в соответствии с вышеописанной методикой, что обеспечивает проведение всех вышеописанных вычислений по формулам (1)-(8) независимо от направления посадки.

3. При вычислениях всегда используют значения только трех НО (HO₁, НО₃ и НO₄). Наличие НО₂ необходимо для обеспечения посадки ЛА с любого направления.

На фиг.1 показаны: ВПП - взлетно-посадочная полоса; О_цвппХ₃Z'₃ - горизонтальная невращающаяся земная прямоугольная система координат с центром О_цвпп, расположенным в центре ВПП; О_щнвппХ₃Z₃ - горизонтальная невращающаяся земная прямоугольная система координат с центром О_цнвпп, расположенным в центре начала ВПП; HO₁, НО₂, НО₃, НO₄ - четыре наземных ориентира; x_иi,z_иi, x_и2, z_и2, x_и3, z_и3, x_и4, z_и4 - измеренные значения координаты HO₁, НО₂, НО₃, НO₄, соответственно, в системе координат О_цвппХ₃Z'₃; О_ла - положение ЛА при заходе на посадку; x_ла, Z_ла - координаты ЛА; Х_ла- продольная ось ЛА; V_ла - вектор воздушной скорости ЛА; Д₁, Д₂, Д₃, Д₄ - дальности между ЛА и соответствующими НО; ε_к - курсовой угол ЛА; N - направление на север; ψ_ла - курс ЛА; ψ_впп - курсовой угол ВПП.

На фиг.2 показаны: О_цнвппХ₃Y₃ - вертикальная невращающаяся земная прямоугольная система координат с центром О_цнвпп расположенным в центре начала ВПП, осью Х₃, расположенной по продольной оси симметрии ВПП и осью Y₃, перпендикулярной оси Х₃; О_ла - положение ЛА при заходе на посадку; Н_ла - высота полета ЛА; x_ла - координата ЛА; ε_г - угол наклона глиссады.

Для лучшего понимания предлагаемого способа как процесса выполнения действий над материальным объектом с помощью материальных средств и подтверждения возможности реализации заявленного изобретения на фиг.3 показана упрощенная структурная схема возможного варианта устройства (системы) посадки ЛА на необорудованную в радиотехническом отношении ВПП, где:
1, 2, 3, 4- наземные ориентиры HO₁, HO₂, НО₃, НO₄ соответственно;
5 - передающее устройство БРЛС;
6 - антенная система БРЛС;
7 - приемное устройство БРЛС;
8 - измеритель дальности и скорости сближения БРЛС;
9 - вычислитель, в состав которого входит запоминающее устройство (ЗУ);
10 - система автоматического управления (САУ) ЛА;
11 - система курсовертикали и воздушных сигналов ЛА;
12 - радиовысотомер;
13 - средство связи (любая связная радиостанция или система передачи данных);
14 - ЛА.

Пассивные радиолокационные уголковые отражатели или маяки-ответчики, используемые в качестве НО, 1, 2, 3, 4 создают узконаправленное излучение радиолокационного сигнала максимальной интенсивности в направлении на источник облучения, перемещающийся в широком телесном угле [7; 4, с. 342-344]. На принципы построения и функциоинирования БРЛС, передающего устройства БРЛС 5, антенной системы БРЛС 6, приемного устройства БРЛС 7, измерителя дальности и скорости сближения БРЛС 8, а также вычислителя 9, САУ ЛА 10, системы курсовертикали и воздушных сигналов ЛА 11, радиовысотомера 12, средств связи 13 заявляемый способ не накладывает никаких ограничений, они подробно описаны в литературе [1, с. 59, 81-88, 319, 336-337; 8, с. 35, 36, 64-70, 158-167].

Система посадки ЛА на необорудованную в радиотехническом отношении ВПП с реализованным в ней заявляемым способом работает следующим образом.

ВПП оснащают четырьмя НО: HO₁, НО₂, НО₃ и НO₄. Координаты всех НО х₁, z₁, х₂, z₂, х₃, z₃, х₄, z₄ относительно центра начала ВПП, а также значения курсового угла ВПП ψ_впп и рекомендуемое направление захода на посадку передают на ЛА с помощью средств связи 13. На ЛА в ЗУ вычислителя 9 со средства связи 13 вводят и запоминают полученные значения ψ_впп и х₁, z₁, x₂, z₂, x₃, z₃, x₄, z₄.

В передающем устройстве БРЛС 5 формируют высокочастотный сигнал, который через антенную систему БРЛС 6 излучают в направлении НО 1, 2, 3, 4. С помощью антенной системы БРЛС 6 принимают отраженные от НО 1, 2, 3, 4 радиосигналы и подают их на вход приемного устройства БРЛС 7. Последнее усиливает, преобразует их, выделяет на фоне шумов и принимает решение об обнаружении НО [8, с. 64-70, 15 8-167]. С выхода приемного устройства БРЛС 7 упомянутые сигналы подают на вход измерителя дальности и скорости сближения БРЛС 8, в котором по ним измеряют значения дальностей Д₁ Д₂, Д₃ и Д₄ соответственно между ЛА и НО₁, НО₂, НО₃ и НO₄, скорости сближения ЛА с ними соответственно [4, с. 342-344; 8, с. 158-167; 9, с. 270-271; 10, с. 195-202] , которые подают в вычислитель 9. С помощью системы курсовертикали и воздушных сигналов ЛА 11 измеряют значения курса ЛА ψ_ла, угла тангажа ЛА ϑ_ла, угла крена ЛА γ_ла и подают их в САУ ЛА 10. С помощью системы курсовертикали и воздушных сигналов ЛА 11 также измеряют значение вертикальной скорости ЛА и подают ее в вычислитель 9. С помощью радиовысотомера 12 измеряют значение высоты полета ЛА Н_ла и подают его в вычислитель 9. В вычислителе 9: по формулам (1) и (2) вычисляют значения координат ЛА х_ла, z_ла; по формуле (3) - значение курсового угла ЛА ε_к; по формуле (4) - значение угла наклона глиссады ε_г; по формулам (5)-(8) - значения скорости изменения указанных углов Значения углов ε_к и ε_г и значения скорости изменения указанных углов подают на вход САУ ЛА 10, где по ним и по значениям углов ψ_впп, ψ_ла, ϑ_ла и γ_ла формируют сигналы управления ЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях [1, с. 59-68, 81-84], по которым управляют ЛА 14, тем самым обеспечивая требуемую траекторию его движения в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Предложенный способ посадки ЛА в отличие от прототипа обладает большей дальностью действия за счет использования НО, имеющих значительно большую ЭПР, чем ЭПР ВПП и подстилающей поверхности, и, по той же причине, более высокую точность измерений дальности до ВПП и скорости сближения с ней, и соответственно более высокую точность вычисления значений курсового угла ЛА, угла наклона глиссады, скоростей их изменения и отклонения ЛА от глиссады, тем самым обеспечивая высокую точность полета ЛА по требуемой траектории снижения и посадки в сложных метеоусловиях.

Качество функционирования приведенной в качестве примера реализации системы посадки ЛА было проверено моделированием ее работы на ЭВМ. Моделирование подтвердило высокую эффективность предлагаемого способа посадки ЛА на необорудованную в радиотехническом отношении ВПП.

Источники информации
1. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973.

2. Бородин В.Т., Рыльский Г.И. Управление полетом самолетов и вертолетов. - М.: Машиностроение, 1972.

3. Духон Ю.И., Ильинский Н.Н. Средства управления летательными аппаратами. - М.: Воениздат, 1972.

4. Сафронов Н.А. Радиооборудование самолетов. - М: Машиностроение, 1993.

5. Лаврушко В.Н., Лопухов А.Н. Способ захода на посадку летательных аппаратов и система его обеспечения. Патент RU 2156720 С1, 24.12.1999.

6. Артемов В. Т. Способ автономного формирования посадочной информации для летательного аппарата и устройство для его осуществления. Патент SU 1836642 A3, 08.04.1991.

7. Артемов В.Т., Горин И.И. Система для посадки воздушных судов в условиях слабой освещенности и устройство для его реализации. Патент RU 2153443 С2, 28.04.1997.

8. Антипов В. Н., Исаев С.А., Лавров А.А., Меркулов В.И. Многофункциональные радиолокационные комплексы истребителей. - М.: Воениздат, 1994.

9. Меркулов В.И., Перов А.И., Саблин В.Н. и др. Радиолокационные измерители дальности и скорости / Под ред. В.Н. Саблина. - М.: Радио и связь, 1999.

10. Максимов М.В., Горгонов Г.И. Радиоэлектронные системы самонаведения. - М.: Радио и связь, 1982.

Изобретение относится к системам посадки летательных аппаратов (ЛА). Взлетно-посадочную полосу (ВПП) оснащают четырьмя ориентирами, установленными на продольной и поперечной осях ВПП. Информацию о координатах ориентиров, значения курсового угла ВПП передают на ЛА. С ЛА проводят радиолокационный обзор земной поверхности и по сигналам от ориентиров определяют расстояния от этих ориентиров до ЛА. Основываясь на этих данных, вычисляют курс ЛА, углы крена и тангажа, значение вертикальной скорости ЛА. В результате формируют сигналы управления ЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изобретение направлено на повышение уровня безопасности полетов. 3 ил.

Способ посадки летательного аппарата (ЛА), заключающийся в том, что взлетно-посадочную полосу (ВПП) оснащают четырьмя наземными ориентирами (НО), например пассивными радиолокационными уголковыми отражателями или маяками-ответчиками, которые размещают на продольной и поперечной осях симметрии ВПП по ее краям, при этом считают, что НО, наиболее удаленный от заходящего на посадку ЛА, является первым HO₁, самый близкий к ЛА - вторым НО₂, наблюдаемый с ЛА слева от ВПП - третьим НО₃, наблюдаемый с ЛА справа от ВПП - четвертым НO₄, причем, если в указанные места по каким либо причинам установить указанные НО невозможно, то их размещают вблизи этих мест, измеряют расстояния Z_иi, где от НО_i до продольной оси симметрии ВПП и расстояние х_иi от НО_i до поперечной оси симметрии ВПП, при этом к каждому измеренному значению x_иi прибавляют l/2, где l - длина ВПП, определяя тем самым координаты х_i= x_иi+l/2 местоположения НО_i относительно центра начала ВПП, полученные значения координат x₁ и z₁= z_и1 HO₁, х₂ и z₂= z_и2 НО₂, х₃ и z₃= z_и3 НО₃, x₄ и z₄= z_и4 HO₄, а также значения курсового угла ВПП ψ_впп и рекомендуемое направление посадки передают на совершающий посадку ЛА, где их запоминают, выполняют радиолокационный обзор земной поверхности, обнаруживают сигналы HO₁, НО₂, НО₃ и HO₄, по которым измеряют дальности Д₁, Д₂, Д₃ и Д₄ между ЛА и соответствующими упомянутыми НО и скорости сближения ЛА с ними соответственно, измеряют высоту полета ЛА Н_ла, курс ЛА ψ_ла, угол тангажа ЛА ϑ_ла, угол крена ЛА γ_ла, вертикальную скорость ЛА по измеренным значениям дальностей Д₁, Д₃, Д₄ и запомненным значениям координат НО x₁, z₁, x₃, z₃, z₄, z₄ вычисляют координаты ЛА x_ла и z_ла oтносительно центра ВПП в горизонтальной плоскости по формулам:


вычисляют угол ε_к между осевой линией ВПП и проекцией на горизонтальную плоскость линии, соединяющей ЛА с центром начала ВПП, по формуле

и угол ε_г между осевой линией ВПП и проекцией на вертикальную плоскость линии, соединяющей ЛА с центром начала ВПП, по формуле

вычисляют скорости изменения координат ЛА и скорости изменения углов по формулам




по вычисленным значениям измеренным значениям углов ψ_ла, ϑ_ла, γ_ла и заполненному значению угла ψ_впп в системе автоматического управления ЛА формируют сигналы управления ЛА в горизонтальной и вертикальной плоскостях и по ним осуществляют управление ЛА на этапах снижения и посадки.