СИСТЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ПОЛОЖЕНИЯ ОБЪЕКТА Российский патент 2006 года по МПК G01S1/08 H04B7/185 

Изобретение относится к радиопеленгации, а именно к системам, обеспечивающим определение пространственного местоположения объекта, например летательного аппарата (ЛА).

Изобретение может быть применено для определения пространственного положения объекта и определения азимутального и угломестного направлений на используемые соответствующие маяки с целью увеличения точности определения местоположения в пространстве, например ЛА, и выдерживания заданной траектории полета, в том числе посадки и, тем самым, повышения безопасности воздушного движения, упрощения и уменьшения весогабаритных характеристик соответствующего бортового оборудования объекта, всепогодности системы, возможности использования одного маяка для ориентации по азимуту (положению объекта по отношению к маяку, в том числе к заданной линии курса) и углу места (положению объекта по отношению к установленной глиссаде снижения), простоты реализации, то есть усовершенствования, в частности, радиотехнической системы радиопеленгации - комплекса маячного и бортового оборудования, позволяющего определять текущие угловые координаты местоположения объекта (в виде азимута и угла места относительно маяка), выполнять движение по заданной траектории с точностями и до высот, соответствующих, например, посадочному минимуму, установленному для данного объекта.

Определение местоположения объекта с большой точностью особенно важно при его посадке, т. к. это напрямую связано с обеспечением безопасности. Актуальность решения такой задачи очевидна: например, 53% всех авиационных происшествий происходит при выполнении заходов на посадку в сложных метеоусловиях, в основном при ухудшении видимости [1. В.И.Жулев, В.С.Иванов "Безопасность полетов летательных аппаратов". - М.: Транспорт, 1986, с.24, 150].

Известны системы пеленгации, использующие высокоточные лазерные устройства со слаборасходящимися пучками излучения малого диаметра, реализованные под названием системы "Глиссада" [2. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными частицами. Ч.III, Изд. Томского филиала СО АН, 1984, § 3.3]. В этой системе комбинация лазерных лучей воспринимается в виде наглядного символа, определяющего положение ЛА относительно посадочной траектории и точки приземления. Это достигается с помощью группы лазерных маяков: курсового, расположенного у торца взлетно-посадочной полосы (ВПП) на оси; двух глиссадных маяков, расположенных с обеих сторон ВПП; двух маяков на противоположной стороне ВПП для обозначения кромки ВПП. Лазерные пучки образуют в пространстве фигуру из трех световых полос, направленных под углом снижения навстречу ЛА. При отклонениях ЛА от курса и глиссады расположение полос в пространстве изменяется. Недостатком этой системы является существенная зависимость ее дальности действия от погодных условий.

В настоящее время применяют три типа систем определения пространственного положения объекта: упрощенную, радиомаячную и радиолокационную [3. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973, с.244-247; 4. Бородин В.Т., Рыльский Г.И. Управление полетом самолетов и вертолетов. - М.: Машиностроение, 1972, с.96-103, 108-115, 187-190; 5. Духон Ю.И., Ильинский Н.Н. Средства управления летательными аппаратами. - М.: Воениздат, 1972, с.306-311, 314-318; 6. Сафронов Н.А. Радиооборудование самолетов. - М.: Машиностроение, 1993, с.305-311, 339-345].

Наземное оборудование упрощенной системы включает радиопеленгатор, две приводные аэродромные радиостанции, два или три маркерных радиомаяка (РМ), связные командно-стартовые радиостанции и светотехническое оборудование. В составе бортового оборудования используется связная радиостанция, автоматический радиокомпас, радиовысотомер, радиоприемник сигналов маркерных радиомаяков и пилотажно-навигационные приборы (компас, авиагоризонт, часы и т.д.). Работой системы управляют с командно-диспетчерского или командно-стартового пункта.

В состав радиомаячной системы входит вышеуказанное оборудование упрощенной системы и дополнительное диспетчерское и радиомаячное оборудование. Последнее содержит курсовой и глиссадный РМ, устанавливаемые на земле, и соответствующие бортовые радиоприемники. Курсовой РМ создает равносигнальную плоскость, совпадающую с вертикальной плоскостью посадочного курса. Его устанавливают в 300...1000 м позади ВПП на ее оси. Глиссадный РМ предназначен для указания экипажу плоскости планирования. Его устанавливают обычно левее ВПП на расстоянии 100...150 м от ее оси или непосредственно на оси ВПП, если РМ имеет невыступающую антенну. Выходные сигналы курсового и глиссадного РМ, пропорциональные угловым отклонениям центра тяжести ЛА от линии планирования, могут быть использованы в качестве сигналов рассогласования при автоматизации изменения пространственного положения объекта.

В состав радиолокационной системы входит вышеуказанное оборудование упрощенной системы, диспетчерское оборудование (такое же, как в радиомаячной системе) и посадочный радиолокатор. При выполнении, например, посадки положение ЛА относительно линии планирования и ВПП измеряется посадочным радиолокатором, операторы которого определяют требуемый маневр ЛА и передают команды управления экипажу по радиотелефонному каналу. При определенных условиях для выполнения посадки могут быть использованы активные или пассивные бортовые радиолокационные станции, обеспечивающие возможность наблюдения на экране индикатора изображения ВПП.

Однако необходимо дальнейшее повышение точности определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, в пределе - до соответствующей точности лазерных систем.

Известен пеленгатор радиосигналов источников радиоизлучения при размещении антенного устройства на поверхности подвижного объекта, содержащий направленную антенну, поворотное устройство, обеспечивающее изменение положения максимума диаграммы направленности антенны в заданном секторе углов, приемник, соединенный с антенной, и регистратор уровня сигнала в приемнике [7. Г.П.Астафьев, В.С.Шебашевич, Ю.А.Юрков. Радионавигационные устройства и системы. - М.: Сов. Радио, 1958]. Пеленг определяется по направлению в пространстве, соответствующему максимальному уровню сигнала.

Недостатком этого пеленгатора, а также многоканального пеленгатора [8. Патент RU 2096797 С1, кл. G 01 s 3/14, 1996] является то, что они не позволяют подавлять сигналы, попадающие на антенну после отражения от поверхности объекта. В достаточно сложном решении [9. Патент RU 2218580 С2, кл. G 01 s 3/14, 2001] ставится цель снижения, но не полного устранения, количества ложных пеленгов, появляющихся в результате приема электромагнитных волн, отраженных от поверхности объекта. В заявляемой системе эта проблема решена простыми средствами.

По критерию минимальной достаточности за прототип принимается система для определения пространственного положения объекта, в том числе подвижного, например летательного аппарата, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY и поперечной осью OZ, с направлениями, соответственно, вперед, вверх и вправо с использованием соответствующих маяков и электромагнитных каналов их связи с бортовым оборудованием объекта, содержащая функционально связанные передающую систему маяка, снабженную средством формирования электромагнитных сигналов, бортовую приемную систему электромагнитных сигналов и бортовой блок, включающий, в том числе, функционально связанные определитель дальности положения объекта, определитель азимута и определитель угла места, соответственно, соединенные с бортовыми датчиками, формирующими, в том числе, данные о скорости и траектории движения объекта, и, при необходимости, блок передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения в индикаторе и выработки электрических сигналов в другое оборудование, например, в блок выработки сигналов управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта [10. Авиационная радионавигация. Справочник под ред. А.А.Сосновского. М.: Транспорт, 1990, стр.151].

Радиопеленгационная система по прототипу, хотя и достаточно совершенна на сегодня, не является оптимальной, т.к. точность ориентации ниже, чем в соответствующей лазерной. Система обладает недостаточными возможностями, например, для обеспечения безопасности полетов (БП), она достаточно сложная, использует несколько РМ, что усложняет ее эксплуатацию.

Сущность изобретения направлена на увеличение точности определения пространственного положения объекта за счет повышения точности определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, тем самым, повышение БП, упрощение системы, повышение ее технико-экономической эффективности, в том числе, из-за экономии частотного ресурса и количества необходимых РМ.

Отличительная особенность заявленного изобретения от прототипа заключается преимущественно в том, что электромагнитное излучение принимают соединенной с приемным устройством магнитной антенной со стержневым сердечником, причем антенна выполнена и ориентирована относительно продольной оси объекта таким образом, что при изменении направления движения объекта на угол, не превышающий половину градуса, происходит большое относительное изменение мощности сигнала маяка, регистрируемой бортовой приемной системой. Это позволяет существенно повысить точность определения положения объекта относительно линий курса и глиссады и точность определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк по сравнению с прототипом.

Предложена система для определения пространственного положения объекта, в том числе подвижного, например летательного аппарата, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY и поперечной осью OZ с направлениями, соответственно, вперед, вверх и вправо с использованием соответствующих маяков и электромагнитных каналов их связи с бортовым оборудованием объекта, имеющая следующие существенные признаки прототипа:

система содержит функционально связанные передающую систему маяка, снабженную средством формирования электромагнитных сигналов, бортовую приемную систему электромагнитных сигналов и бортовой блок, включающий, в том числе, функционально связанные определитель дальности положения объекта, определитель азимута и определитель угла места, соответственно, соединенные с бортовыми датчиками, формирующими, в том числе, данные о скорости и траектории движения объекта, и, при необходимости, блок передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения в индикаторе и выработки электрических сигналов в другое оборудование, например в блок выработки сигналов управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта.

Другими существенными, отличительными от прототипа, признаками являются следующие:

бортовая приемная система содержит магнитную антенну, преимущественно со стержневым сердечником, с заданными в правой системе координат взаимно перпендикулярными продольной OХ1, нормальной OY1 и поперечной OZ1 осями симметрии, причем продольная ось OХ1 направлена по оси сердечника магнитной антенны, а оси ОХ и OХ1, OY и OY1, OZ и OZ1 соответственно одинаково ориентированы и параллельны, магнитная антенна соединена радиокабелем с введенным приемным устройством, включающим, в том числе, последовательно соединенные блок селекции принимаемого от соответствующего маяка электромагнитного излучения, например по его модуляции, и блок измерения уровня сигнала, принятого антенной излучения, соединенный функционально с определителями азимута и угла места положения объекта.

Кроме того, магнитная антенна заключена в преимущественно проточный кожух, выполненный, например, в виде трубы с поглощающей электромагнитное излучение внутренней поверхностью, с обеспечением экранирования электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта.

Также, например, для привода объекта в заданную вертикальную плоскость с заданным азимутальным направлением и осуществления движения объекта в этой плоскости над поверхностью Земли она содержит дополнительно по крайней мере еще один соответствующий маяк, при этом основной и дополнительный маяки установлены в заданных местах, разнесенных друг от друга вдоль линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью, при этом частоты и модуляции электромагнитных излучений передающих систем дополнительного и основного маяков не обязательно одинаковые.

Предлагаемая система благодаря отличительным от прототипа признакам обеспечивает увеличение точности определения пространственного положения объекта, азимутального и угломестного направлений и захода на соответствующий маяк и, тем самым, повышение БП и его технико-экономической эффективности.

Ниже изобретение описано более детально со ссылками на чертежи, схематично иллюстрирующие заявляемую систему.

На фиг.1 показана система, на фиг.2 - схема расположения антенны. Как и в прототипе, система (фиг.1) содержит функционально связанные передающую систему маяка 1, снабженную средством 2 формирования электромагнитных сигналов, и бортовую приемную систему электромагнитных сигналов 3, бортовой блок 4, включающий, в том числе, функционально связанные определитель дальности положения объекта 5, определитель азимута 6 и определитель угла места 7, соответственно, соединенные с бортовыми датчиками 8, формирующими, в том числе, данные о скорости и траектории движения объекта, и, при необходимости, блок 9 передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения на индикаторе 10 и выработки электрических сигналов в другое оборудование, например в блок 11 выработки сигналов управления органами 12 обеспечения изменения пространственного положения объекта.

Заявляемая система содержит все упомянутые составляющие прототипа 1...12 и их функциональные связи, но дополнительно для определения направления на соответствующий маяк бортовая приемная система 3 содержит магнитную антенну 13 со стержневым сердечником 14, соединенную радиокабелем 15 с приемным устройством 16. Приемное устройство 16 включает, в том числе, блок 17 селекции принимаемого от маяка электромагнитного излучения, например по его модуляции, и блок 18 определения уровня принятого излучения.

Блок 18 соединен функционально с входящими в блок 4 определителями азимута 6 и угла места 7 положения объекта.

Движущийся объект, например летательный аппарат, имеет заданные в правой системе координат продольную ось ОХ, нормальную ось OY и поперечную ось OZ с направлениями, соответственно, вперед, вверх и вправо.

Магнитная антенна со стержневым сердечником 14 (фиг.2) имеет взаимно перпендикулярные продольную OХ1, нормальную OY1 и поперечную OZ1 оси симметрии, образующие правую систему координат. При этом ось OХ1 направлена по оси сердечника 14 магнитной антенны, а оси ОХ и OХ1, OY и OY1, OZ и OZ1 соответственно одинаково ориентированы и параллельны. Падающее излучение показано стрелкой И. На фигуре 2 оси, направленные от нас, обозначены ⊕.

Для определенности изложения объект далее называем ЛА, маяк - посадочным радиомаяком (ПРМ), используется электромагнитное излучение радиочастотного диапазона.

Система работает следующим образом.

Электромагнитный сигнал ПРМ формируют средством 2 наземной передающей системы 1 соответствующего маяка (фиг.1). Его принимают магнитной антенной 13 бортовой приемной системы 3 и далее по радиокабелю 15 электрический сигнал поступает в приемное устройство 16. В нем в блоке 17 из принимаемых антенной совокупных излучений селектируют излучение ПРМ, например по его модуляции. В приемном устройстве 16 в блоке 18 измеряют уровень принятого излучения ПРМ. Объект направляют на соответствующий маяк, изменяя траекторию его движения в пространстве до получения минимального уровня принятого сигнала. По положению объекта при достижении этого условия судят о направлении на соответствующий маяк, определяя при этом азимутальное и угломестное направления с использованием бортового оборудования для их измерения. Далее информацию направляют в определитель азимута 6 или, соответственно, определитель угла места 7 бортового блока 4. В определителе дальности 5 положения ЛА используется любой из известных методов измерения дальности.

Выделенная из блока 4 информация о местоположении ЛА по азимуту (курсу) и углу места (глиссаде) поступает, при необходимости, в блок 9 передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения информации на индикаторе 10 и для выработки электрических сигналов в другое оборудование, например в блок 11 выработки сигналов управления органами 12 обеспечения изменения пространственного положения (траектории) ЛА.

При необходимости захода объекта на соответствующий маяк по заданному азимутальному и/или угломестному направлению сравнивают его азимутальное и/или угломестное направление на соответствующий маяк с заданным и измеряют их рассогласование. Затем корректируют траекторию движения объекта, уменьшая величину рассогласования вплоть до минимально возможного значения, и одновременно удерживают направление объекта на соответствующий маяк.

В системе использована малогабаритная магнитная антенна со стержневым, преимущественно ферритовым, сердечником 14.

Магнитная антенна имеет резко выраженную направленную характеристику. На фиг.2 показана полярная диаграмма 19 ее чувствительности, имеющая форму восьмерки. Уровень принимаемого магнитной антенной сигнала не имеет резко выраженного максимума, но его минимум весьма отчетлив (практически близок к нулевому значению) и позволяет определить его с достаточно большой точностью. Направление на пеленгуемый соответствующий маяк определяют по минимуму принимаемого сигнала. В этом случае направление на соответствующий маяк совпадает с направлением ферритового стержневого сердечника 14 магнитной антенны. Точность определения направления (отсчета по азимуту и/или углу места) составляет на практике около 0,5 градуса (±0,25 градуса). С сокращением расстояния от объекта до соответствующего маяка точность определения местоположения пропорционально растет. Присущий магнитной антенне недостаток, связанный с наличием двух минимумов в диаграмме направленности и отсутствием поэтому указания истинного, единственного направления на маяк, в заявляемой системе преодолевается благодаря использованию бортового навигационного оборудования ЛА.

Таким образом, если направление падающего излучения совпадает с продольной осью ОХ ЛА, то уровень сигнала в приемном устройстве будет минимальным. При отклонении направления излучения от оси ОХ сигнал на приемном устройстве 16 существенно увеличивается. Производя изменение траектории движения ЛА до получения минимального сигнала от антенны 13, пилот (или автоматика), тем самым, ориентирует ЛА на ПРМ. При этом в блоке 4 определяется рассогласование между азимутальным и/или угломестным направлением на соответствующий маяк и заданным азимутальным и/или угломестным направлением. Пилот (или автоматика), производя необходимое управление, корректирует траекторию движения ЛА, уменьшая величину рассогласования до минимально возможного значения (вплоть до нулевого), при котором согласно требованиям для ПРМ 1-й категории отклонение от оси на начало взлетно-посадочной полосы не превышает ±10,5 м, а для ПРМ 2-й категории - не превышает ±7,5 м. Вследствие указанной резко выраженной чувствительности величины сигнала к отклонению сердечника антенны от направления на соответствующий маяк посадка ЛА будет производиться практически без рыскания.

Для предотвращения попадания на магнитную антенну со стержневым сердечником помехового электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта, эту антенну экранируют, например, поместив ее в преимущественно проточный кожух, выполненный, например, в виде трубы с поглощающей электромагнитное излучение внутренней поверхностью, с обеспечением предотвращения попадания на антенну электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта.

С целью повышения точности, например, радиопеленгации или привода объекта в заданную вертикальную плоскость с заданным азимутальным направлением и осуществления движения объекта в этой плоскости над поверхностью Земли система содержит дополнительно по крайней мере еще один соответствующий маяк. При этом основной и дополнительный маяки установлены в заданных местах, разнесенных друг от друга вдоль линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью, а частоты и модуляции электромагнитных излучений передающих систем дополнительного и основного маяков не обязательно одинаковые.

Результативность и эффективность использования предлагаемой системы состоит в следующем.

Изобретение позволяет увеличить точность пеленгации и ориентации в пространстве объекта и выдерживания заданной траектории и тем самым, например, повысить безопасность посадки ЛА, упростить и уменьшить весогабаритные характеристики соответствующего бортового оборудования объекта, система всепогодна, возможно использование одной частоты электромагнитного излучения маяка для ориентации по азимуту и углу места, также возможно применение одного маяка. Система проста в реализации, ее точность близка к системам лазерной ориентации, в том числе при посадке, но лишена ее недостатков, легко вписывается в применение с другими системами пеленгации и навигации.

Таким образом, отличительные признаки заявляемой системы для определения пространственного положения объекта обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию "новизны".

Результаты поиска известных решений в области радиопеленгации, радионавигации и связи с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Изобретение относится преимущественно к радиопеленгации, а именно к системам для определения пространственного положения объекта, например летательного аппарата, и азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк. Достигаемый технический результат - увеличение точности определения местоположения объекта в пространстве независимо от погодных условий за счет повышения точности определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, отсутствие ложного пеленга, повышение безопасности движения объекта, например при посадке, уменьшение весогабаритных характеристик соответствующего бортового оборудования, повышение технико-экономической эффективности. Бортовая приемная система содержит, в том числе, приемное устройство с магнитной антенной, преимущественно со стержневым сердечником. Продольные оси объекта и сердечника одинаково ориентированы и параллельны. В блоках селекции и измерения принятое излучение селектируют, измеряют его уровень. Магнитная антенна имеет резко выраженный минимум сигнала принимаемого излучения, поэтому точность определения направления составляет 0,5 градуса. Траекторию движения объекта в пространстве изменяют до получения минимального уровня принятого сигнала и по положению объекта при достижении этого условия судят о направлении на соответствующий маяк, определяя при этом азимутальное и угломестное направления с использованием бортового оборудования для их измерения. Антенну экранируют от помехового электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Система определения пространственного положения подвижного объекта, например, летательного аппарата, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY и поперечной осью OZ относительно соответствующих маяков, с использованием бортового оборудования, предназначенного для измерения азимутального и угломестного направлений и дальности подвижного объекта, с использованием электромагнитных каналов связи между бортовым оборудованием объекта и соответствующим маяком, содержащая функционально связанные передающую систему маяка, снабженную средством формирования электромагнитных сигналов, бортовую приемную систему электромагнитных сигналов, соединенную с бортовым блоком, включающим функционально связанные определитель дальности положения объекта, определить азимута и определитель угла места соответственно, соединенные с бортовыми датчиками, формирующими данные о скорости и траектории движения объекта, выделенная из бортового блока информация о местоположении летательного аппарата поступает в блок выработки электромагнитных сигналов азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения в индикаторе и передачи их в блок выработки сигналов управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта, отличающийся тем, что бортовая приемная система содержит магнитную антенну, преимущественно со стержневым сердечником, с заданными в правой системе координат взаимно перпендикулярными продольной OX₁, нормальной OY₁ и поперечной OZ₁ осями симметрии, причем продольная ось OX₁ направлена по оси сердечника магнитной антенны, а оси ОХ и OX₁, OY и OY₁, OZ и OZ₁ соответственно одинаково ориентированы и параллельны, магнитная антенна соединена радиокабелем с введенным приемным устройством, включающим последовательно соединенные блок селекции принимаемого от соответствующего маяка электромагнитного сигнала, например, по его модуляции, и блок измерения уровня сигнала принятого антенной излучения, соединенный функционально с определителями азимута и угла места положения объекта.2. Система по п.1, отличающаяся тем, что магнитная антенна заключена в преимущественно проточный кожух, выполненный, например, в виде трубы с поглощающей электромагнитные сигналы внутренней поверхностью, с обеспечением экранирования электромагнитных сигналов, приходящих из задней полусферы пространства, и электромагнитных сигналов соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта.3. Система по п.1, отличающаяся тем, что, например, для привода объекта в заданную вертикальную плоскость с заданным азимутальным направлением и осуществления движения объекта в этой плоскости над поверхностью Земли она содержит дополнительно по крайней мере еще один соответствующий маяк, при этом основной и дополнительный маяки установлены в заданных местах, разнесенных друг от друга вдоль линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью, при этом частоты и модуляции электромагнитных сигналов передающих систем дополнительного и основного маяков не обязательно одинаковые.