СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ И УГЛОВ ОРИЕНТАЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ОТНОСИТЕЛЬНО ВЗЛЕТНО-ПОСАДОЧНОЙ ПОЛОСЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2009 года по МПК G01S17/93 

Изобретение относится к навигации и может быть использовано для автоматического управления посадкой летательного аппарата (ЛА), коррекции инерциальных навигационных систем ЛА в процессе их взлета.

Оптические устройства дистанционного определения ориентации подвижных объектов содержат размещаемые на подвижном объекте реперные источники излучения (РИ) и оптико-локационные блоки (ОЛБ), размещаемые на базовом (неподвижном) основании, относительно которого производится определение ориентации подвижного объекта.

Оптико-локационные блоки определяют направления на отдельные РИ (углы-пеленги РИ), используя которые определяют ориентацию подвижных объектов. В ОЛБ широко используются двумерные анализаторы плоских изображений, например, на основе матричных фотодетекторов в сочетании с дальномерным устройством [1]. В классической стереоскопической схеме построения устройств определения ориентации подвижных объектов измеряют углы-пеленги РИ с двух точек, разнесенных на известное расстояние, затем определяют координаты РИ и ориентацию подвижного объекта.

Известен способ локации источников излучения [2], размещаемых на подвижных объектах, в котором предусматривается использование двух цилиндрических объективов-анаморфотов для формирования изображений РИ в плоскости линейки фотодетекторов. Определив координату изображения РИ и зная фокусное расстояние цилиндрического объектива, определяют угол-пеленг РИ. Используя полученные данные, зная расстояние между формирователями изображения (точками, относительно которых производятся отсчеты углов-пеленгов), вычисляют координаты РИ.

Измерение ориентации подвижного объекта производится в три этапа:

определение углов-пеленгов;

вычисление координат РИ (точек M1 и М2);

вычисление ориентации подвижного объекта с использованием полученных значений координат РИ.

Недостатком является применение двух ОЛБ, причем они размещены на неподвижном основании (что соответствует размещению на земле применительно к задаче обеспечения посадки ЛА).

Известно устройство определения положения ЛА в пространстве с помощью мобильной лазерной трехцветной навигационной системы [2], принцип действия которого состоит в формировании цветовых зон в окрестности посадочной траектории и визуальном восприятии летчиком излучения в заданной длине волны. Устройство содержит два источника оптического излучения, разнесенные в пространстве, образуя, таким образом, три зоны, покрытые оптическим излучением только одной длины волны. Каждый источник позволяет получить не менее двух неперекрывающихся пучков оптического излучения с различными длинами волн. Оптические пучки с совпадающими диапазонами длин волн перекрываются в зоне створа. Вне зоны створа эти пучки перекрываются с пучками оптического излучения иных диапазонов длин волн.

Устройство включает наземную часть, состоящую из первичного источника питания, высоковольтного импульсного источника накачки, блока управления, трехцветного катода импульсного полупроводникового лазера с электронной накачкой, оптического блока, объектива, блока встроенного контроля.

Недостатками данного устройства являются недостаточная точность, поскольку положение ЛА относительно оси взлетно-посадочной полосы (ВПП) в пределах одной цветовой зоны является неопределенным. Кроме этого, положение ЛА оценивается летчиком визуально, что приводит к необходимости участия человека в контуре управления самолетом, при этом автоматическая посадка невозможна.

Технической задачей изобретения является повышение точности измерения местоположения ЛА относительно оси ВПП, обеспечение дополнительного измерения углов рыскания, крена, тангажа, а также автоматизация процесса измерения этих параметров.

Решение технической задачи состоит в том, что в способе определения местоположения и углов ориентации ЛА относительно оси ВПП (угла рыскания, крена, тангажа), основанном на вычислении параметров положения подвижного объекта, регистрируют излучения каждого из трех одинаковых лазерных маяков с известными координатами, установленными вдоль взлетно-посадочной полосы (ВПП), на полосах безопасности посредством приемника излучения лазеров, установленного на бортовой части летательного аппарата (ЛА) и выполненного в виде плоской фотоматрицы, размещенной в фокальной плоскости фотообъектива, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных маяков, снимаемого с фотоматрицы для определения координат изображений лазерных маяков, при этом определяют координаты: дальность до точки касания, высоту полета, боковое отклонение от оси ВПП, и углы ориентации ЛА: углы рыскания, крена и тангажа, путем решения системы нелинейных алгебраических уравнений:

где F - фокусное расстояние объектива;

l_xn, l_yn, l_zn - расстояния, определяющие расположение лазерных маяков относительно точки касания по продольной вертикальной и поперечной осям ВПП (n=1, 2, 3 - номер лазерного маяка);

У_n, z_n - координаты изображений лазерных маяков, сформированных на фотоматрице;

a_ij - элементы матрицы направляющих косинусов А вида

где ψ, γ, υ - углы рыскания, крена и тангажа ЛА соответственно;

x_л, у_л, z_л - координаты ЛА относительно ВПП.

Заявляемый способ осуществляется при помощи устройства для определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы, включающего наземную лазерную систему для формирования области излучения посадочной траектории, для достижения технического результата наземная лазерная система содержит совокупность из трех разнесенных одинаковых лазерных маяков с известными координатами, установленными вдоль взлетно-посадочной полосы на полосах безопасности, а бортовая часть летательного аппарата содержит модуль приемника излучения лазеров, выполненный в виде фотообъектива и плоской фотоматрицы, и вычислитель, включающий в себя модуль обработки оцифрованного изображения лазерных маяков и модуль вычисления координат ЛА, при этом модуль обработки оцифрованного изображения лазерных маяков, где определяют координаты изображений лазерных маяков, своим входом связан с фотоматрицей, на которой с помощью фотообъектива формируются изображения лазерных маяков, а своим выходом связан с модулем вычисления координат ЛА, где путем решения системы нелинейных алгебраических уравнений определяют координаты: дальность до точки касания, высоту полета, боковое отклонение от оси ВПП, и углы ориентации ЛА: углы рыскания, крена и тангажа.

Технический результат при использовании заявляемых способа и устройства заключается в повышении точности определения местоположения ЛА относительно ВПП и дополнительном определении углов ориентации ЛА, достигаемой за счет использования трех ИК лазерных маяков, модуля приемника излучений лазеров, вычислителя, в модуле обработки оцифрованного изображения лазерных маяков которого производится определение координат изображений лазерных маяков на фотоматрице, в модуле вычисления координат ЛА осуществляется численное решение системы нелинейных алгебраических уравнений относительно искомых координат ЛА - ψ, γ, υ, x_л, у_л, z_л.

Существенными отличительными признаками от прототипа по способу является следующая совокупность действий:

определение координат изображений лазерных маяков на фотоматрице;

вычисление значений угла рыскания, крена, тангажа, дальности, высоты и бокового отклонения летательного аппарата по информации, полученной с приемника излучений лазерных маяков.

По устройству, наличие следующих элементов:

совокупности трех разнесенных одинаковых ИК лазерных маяков;

модуля приемника излучений лазеров;

вычислителя.

На фиг.1 показана схема размещения лазерных маяков и ЛА с установленным на нем оборудованием в процессе определения местоположения относительно ВПП и углов ориентации ЛА; на фиг.2 - структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.3 - расположение приемника излучения относительно маяков.

Способ реализуется следующим образом. Неподвижная прямоугольная система координат OXYZ связана с ВПП (фиг.3), точка О совпадает с точкой касания (фиг.2), ось ОХ - с осью ВПП, ось OY - вертикаль. Система координат O'X'Y'Z' - подвижная система, связанная с геометрическим центром фотоматрицы, где ось O'Х' направлена по оптической оси объектива, ось O'Y'^{направлена вверх перпендикулярно горизонтальной стороны фотоматрицы, ось O'Z' перпендикулярна осям O'Х', O'У' добавляя их до правой системы координат. Для перехода от системы координат OXYZ к O'X'YZ' используется матрица направляющих косинусов А:}

Вектор, описывающий геометрический центр фотоматрицы в системе OXYZ (точка О'), обозначим D:

где x_л, у_л, z_л - дальность, высота, боковое отклонение соответственно.

Для нахождения координат изображения начала координат (точки О) в фокальной плоскости на фотоматрице находят вектор R, для чего вектор D проецируют на ось O'Х', для этого умножают его скалярно на единичный вектор . Полученная проекция вектора D (i·x_л+j·у_л+k·z_л)·i' вместе с самим вектором D образуют треугольник, подобный треугольнику O1O"О'. Из подобия треугольников следует, что O1O'/О'O2=O1O"/OO".

Поэтому для коллинеарных векторов R и О1О" записывают

Используя известные соотношения, связывающие орты i, j, k и i', j', k' двух систем координат

подставим выражения для i, j, k в правую часть соотношения (4), получим

Точка O2 представляет собой изображение начала координат системы OXYZ. Для получения выражения, описывающего изображение точки М в системе координат OXYZ в выражении (7), вместо координат x_л, у_л, z_л вектора D, подставляют координаты х_л-l_x,^{у_л-l_у,_{zл-lz вектора МО1.}}

Откуда находят координаты изображения n-го маяка на фотоматрице с учетом его координат l_xn, l_yn, l_zn в системе OXYZ:

Обе части полученных равенств умножают на знаменатель правой части и переносят все слагаемые в левую часть.

После преобразований выражений (6) и (7) они записываются трижды для значений n=1, 2 и 3, таким образом, составляется исходная система уравнений (1). Путем решения этой нелинейной системы алгебраических уравнений вычисляются дальность - х_л, высота - у_л, боковое отклонение - z_л, углы рыскания - ψ, крена - γ и тангажа - υ летательного аппарата.

Решение системы уравнений (1) осуществляется одним из численных методов [4], например методом простых итераций, Ньютона, Брауна или наискорейшего спуска. Программное обеспечение численных методов решения систем нелинейных уравнений известно на многих языках программирования, в том числе для пакета Mathcad (например, функция minerr [5]).

Устройство содержит совокупность лазерных маяков 1, включающую лазеры 4, 5, 6, модуль приемника излучений лазеров 2, содержащий объектив 7 и фотоматрицу 8, вычислитель 3, включающий модуль обработки оцифрованного изображения лазерных маяков 9 и модуль вычисления координат 10.

Устройство работает следующим образом.

Излучение лазеров 4, 5, 6 модуля лазерных маяков 1 регистрирует модуль приемника излучений лазеров 2 с помощью объектива 7, формирующего на фотоматрице 8 изображение ВПП и трех лазеров. В модуле 9 обработки оцифрованного изображения лазерных маяков, где осуществляется поочередное сравнение величин R, G, В кодов пикселей фотоматрицы с их значениями, соответствующими изображению лазера маяка, определяют коды координат изображений лазерных маяков 4, 5, 6, которые используются для вычисления в модуле вычисления координат 10 ЛА его местоположения относительно ВПП: дальности х_л, высоты у_л, бокового отклонения z_e и углов ориентации - рыскания ψ, крена γ и тангажа υ, путем решения системы уравнений (1), полученной в предлагаемом способе определения местоположения относительно ВПП и углов ориентации ЛА.

Указанное утверждение в отношении повышения точности определения перечисленных параметров достигается за счет использования прецизионных датчиков информации, автоматизации процессов съема и обработки информации.

Источники информации

1. Техническое зрение роботов. Под общ. ред. Ю.Г.Якушенкова. - М.: Машиностроение, 1990. - С.168.

2. Патент РФ на изобретение №2083444 на изобретение, кл. G01S 5/08, 22.03.1994 (прототип).

3. Олихов И.М., Косовский Л. Системы навигации. Журнал: ЭЛЕКТРОНИКА - Наука, Технология, Бизнес, 3/99.

4. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. - М.: Наука, 1987. - С.212-213.

5. Дьяконов В.П. Справочник по MathCAD PLUS 6.0 PRO. - M.: «CK Пресс», 1997. - С.152-154.

Изобретение относится к определению местоположения летательного аппарата с использованием нескольких разнесенных источников излучения. Достигаемым техническим результатом является повышение точности измерения координат летательного аппарата. Сущность способа заключается в том, что сигналы трех лазерных маяков, установленных на аэродроме вблизи взлетно-посадочной полосы на полосах безопасности в точках с известными координатами, регистрирует приемник излучения, установленный на летательном аппарате, при этом определяют местоположение относительно взлетно-посадочной полосы и углы ориентации летательного аппарата. Устройство, реализующее заявленный способ, содержит совокупность лазерных маяков, приемник излучений лазерных маяков, содержащий фотообъектив и плоскую фотоматрицу, а также вычислитель, предназначенный для обработки изображения и вычисления координат летательного аппарата. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы, основанный на вычислении параметров положения летательного аппарата (ЛА), отличающийся тем, что регистрируют излучения каждого из трех одинаковых лазерных маяков с известными координатами, установленных вдоль взлетно-посадочной полосы (ВПП), на полосах безопасности, посредством приемника излучения лазерных маяков, установленного на бортовой части летательного аппарата и выполненного в виде плоской фотоматрицы, размещенной в фокальной плоскости фотообъектива, осуществляют обработку оцифрованного изображения лазерных маяков, снимаемого с плоской фотоматрицы для определения координат изображений лазерных маяков, при этом определяют координаты: дальность до точки касания, высоту полета, боковое отклонение от оси ВПП и углы ориентации ЛА: углы рыскания, крена и тангажа путем численного решения системы нелинейных алгебраических уравнений одним из численных методов:

где F - фокусное расстояние фотообъектива;

l_xn, l_yn, l_zn - расстояния, определяющие расположение лазерных маяков относительно точки касания по продольной вертикальной и поперечной осям ВПП (n=1, 2, 3 - номер лазерного маяка);

у_n, z_n - координаты изображений лазерных маяков, сформированных на плоской фотоматрице;

а_ij - элементы матрицы направляющих косинусов А вида

где ψ, γ, υ - углы рыскания, крена и тангажа ЛА соответственно;

x_л, у_л, z_л - координаты ЛА относительно ВПП.

где F - фокусное расстояние фотообъектива;

l_xn, l_yn, l_zn - расстояния, определяющие расположение лазерных маяков относительно точки касания по продольной вертикальной и поперечной осям ВПП (n=1, 2, 3 - номер лазерного маяка);

у_n, z_n - координаты изображений лазерных маяков, сформированных на плоской фотоматрице;

а_ij - элементы матрицы направляющих косинусов А вида

где ψ, γ, υ - углы рыскания, крена и тангажа ЛА соответственно;

x_л, у_л, z_л - координаты ЛА относительно ВПП.