СПОСОБ ТРАЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ С ОБЛЕТОМ ЗОН С НЕБЛАГОПРИЯТНЫМИ МЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ Российский патент 2013 года по МПК B64C15/00 

Изобретение относится к способам траекторного управления пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов (ЛА) как гражданской, так и военной авиации и может быть использовано для повышения их живучести при выполнении полетов.

Повышение живучести летательных аппаратов в процессе управления ЛА [1] является одной из основных тенденций развития радиоэлектронных системы управления (РЭСУ). Одним из направлений повышения живучести управляемых ЛА (УЛА) является облет опасных зон (ОЗ) с неблагоприятными метеорологическими условиями, в которых по тем или иным причинам нахождение УЛА не рекомендовано либо вовсе запрещено. Для реализации данного направления широко применяются системы командного управления, в том числе с командного пункта воздушного базирования (КП ВБ) [2]. Одними из наиболее опасных зон являются зоны грозовых фронтов, градовые облака, зоны торнадо, смерчей и т.д. Сюда же можно отнести обширные области воздушного пространства, содержащие вулканическую пыль (вулканы Эйяфьятлайокудль (2010 г.) и Гримсвотн (2011 г.) в Исландии) или радиационную пыль (АЭС Фукусима (2011 г.) в Японии). Важно отметить, что указанные опасные зоны, как правило, подвижны, т.е. постоянно изменяют свое местоположение. При этом они способны сохранять конфигурацию довольно продолжительное время. Такие свойства опасных зон необходимо учитывать при планировании и прокладке маршрутов управляемых летательных аппаратов.

В существующих системах радиоуправления [3] (см. фиг.1), включающих пункт управления 1 и летательный аппарат 2, облет зон с неблагоприятными метеорологическими условиями 3 осуществляется в два этапа. На первом (подготовительном) этапе диспетчером (оператором, офицером боевого управления) намечается ряд контрольных точек 4, которые должен пройти ЛА с заданным курсом для обхода выбранной запретной зоны. Далее для обеспечения последовательного прохождения ЛА намеченных точек с заданным направлением в штурманском расчете реализуются алгоритмы наведения на неподвижные цели (поочередно на каждую соответствующую контрольную точку). На втором этапе осуществляется непосредственно управление летательным аппаратом 2 для обхода зоны с неблагоприятными метеоусловиями 3 по рассчитанным траекториям 5 при помощи команд управления с диспетчерского (командного) пункта управления 1. Процедуру существующего способа облета опасной зоны летательным аппаратом иллюстрирует фиг.1.

Следует отметить, что такой способ облета опасных зон, связанный с нанесением контрольных точек, предполагает непосредственное участие человека и представляет собой довольно трудоемкую задачу даже для статичных (неподвижных) опасных зон. Если же зона с неблагоприятными метеоусловиями имеет подвижный характер, то для нанесения таких точек требуется наличие большого опыта у оператора и в общем случае является нетривиальной задачей.

Техническим результатом изобретения является повышение живучести УЛА за счет использования командного управления и автоматизации процесса облета зон с неблагоприятными метеорологическими условиями при полете ЛА по запланированному маршруту.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при планировании маршрута полета УЛА зона с неблагоприятными метеорологическими условиями аппроксимируется эллипсом и оператор для описания выбранной опасной зоны указывает только центр такого эллипса и его параметры - значения полуосей эллипса и их ориентацию. Кроме этого оператор указывает направление движения и значение вектора скорости ОЗ. Далее осуществляется непосредственно управление летательным аппаратом с обходом опасной зоны путем коррекции рассчитанной траектории наведения.

Возможность достижения технического результата обусловлена следующими причинами:

- существенным уменьшением времени описания оператором зон с неблагоприятными метеорологическими условиями, что снижает нагрузку на оператора (офицера боевого управления) [4];

- универсальным (однотипным) способом описания опасных зон, что дает возможность применять традиционные методы управления летательными аппаратами [3].

Вариант взаимного расположения управляемого летательного аппарата и опасной зоны с неблагоприятными метеорологическими условиями, которая аппроксимируется эллипсом, иллюстрирует фиг.2, на которой летательный аппарат движется равномерно со скоростью V_ЛА и прямолинейно с заданным курсом φ_ЛА, опасная зона (ее центр) движется равномерно и прямолинейно со скоростью V_З.

Для таких условий одним из возможных способов управления, повышающий живучесть летательного аппарата, является новый способ, полученный на основе математического аппарата метода обратных задач динамики [5], в котором траектория управляемого ЛА корректируется при сближении его с зоной с неблагоприятными метеорологическими условиями путем замены заданного курса φ_ЛА УЛА, определяемого запланированным маршрутом полета, на скорректированный курс φ_к по правилу:

$${\varphi }_{к}=arctg\left(\frac{w_{k2}}{w_{k1}}\right),(1)$$

где:

$$\begin{array}{l}{w}_{k1}=\cos ({\varphi }_{З})\left(\sin (\alpha )+a^2\frac{(u_2^2-u_1^2)\sin (\alpha )-2u_1{u}_2\cos (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right)-\\ -\sin ({\varphi }_{З})\left(\cos (\alpha )+b^2\frac{(u_1^2-u_2^2)\cos (\alpha )-2u_1{u}_2\sin (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right),(2)\end{array}$$

$$\begin{array}{l}{w}_{k2}=\sin ({\varphi }_{З})\left(\sin (\alpha )+a^2\frac{(u_2^2-u_1^2)\sin (\alpha )-2u_1{u}_2\cos (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right)+\\ +\cos ({\varphi }_{З})\left(\cos (\alpha )+b^2\frac{(u_1^2-u_2^2)\cos (\alpha )-2u_1{u}_2\sin (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right)\end{array}$$

Здесь: w_k1 и w_k2 - составляющие вектора скорости управляемого летательного аппарата; а и b - полуоси эллипса; φ_З - угол ориентации опасной зоны с неблагоприятными метеоусловиями (угол поворота полуосей эллипса), который определяется диспетчером (оператором) при описании (аппроксимации) ОЗ.

Переменные u₁ и u₂, входящие в (2), определяют координаты положения наводимого УЛА относительно центра опасной зоны в системе координат X'OY', связанной с направлением осей эллипса и вычисляются как:

$$\begin{array}{l}{u}_1=\left(x-x_{З}\right)\cos ({\varphi }_{з})+\left(y-y_{З}\right)\sin ({\varphi }_{з})\\ u_2=\left(y-y_{З}\right)\cos ({\varphi }_{з})-\left(x-x_{З}\right)\sin ({\varphi }_{з})(3)\end{array}$$

Угол α определяется из значения вектора скорости летательного аппарата относительно опасной зоны с учетом поворота земной системы координат XOY на угол φ_З по правилу:

$$\alpha =arctg\left(\frac{V_{РЕ{З}_y}}{V_{РЕ{З}_x}}\right),(4)$$

где:

$$\begin{array}{l}{V}_{РЕ{З}_x}=\left(V_{Л{А}_x}-V_{{З}_x}\right)\cos ({\varphi }_{З})+\left(V_{Л{А}_y}-V_{{З}_y}\right)\sin ({\varphi }_{З})\\ V_{РЕ{З}_y}=\left(V_{Л{А}_y}-V_{{З}_y}\right)\cos ({\varphi }_{З})-\left(V_{Л{А}_x}-V_{{З}_x}\right)\sin ({\varphi }_{З}),(5)\end{array}$$

Здесь: $$V_{РЕ{З}_x}$$ и $$V_{РЕ{З}_y}$$ - составляющие вектора относительной скорости управляемого летательного аппарата с учетом движения ОЗ; $$V_{Л{А}_x}$$ и $$V_{Л{А}_y}$$ - составляющие вектора скорости управляемого летательного аппарата; $$V_{{З}_x}$$ и $$V_{{З}_y}$$ - составляющие вектора скорости движения опасной зоны с неблагоприятными метеорологическими условиями, которые определяется диспетчером (оператором) при описании (аппроксимации) ОЗ.

Составляющие вектора скорости управляемого летательного аппарата определяются по правилу:

$$\begin{array}{l}{V}_{Л{А}_x}=V\sin ({\varphi }_{ЛА})\\ V_{Л{А}_y}=V\cos ({\varphi }_{ЛА}),(6)\end{array}$$

где: V - значение скорости УЛА; φ_З - значение курса УЛА.

Указанные параметры определяются либо на диспетчерском (командном) пункте, либо непосредственно на борту УЛА

Корректировка курса УЛА начинается тогда, когда расстояние от наводимого ЛА до центра опасной зоны становится меньше определенной величины:

$$\sqrt{{(x-x_{З})}^2+{(y-y_{З})}^2}\le L,(7)$$

где: x_З и y_З - координаты центра ОЗ (эллипса аппроксимации); x и y - координаты УЛА; L - заданное расстояние.

Примерный вид траектории облета опасной зоны грозового фронта представлен на фиг.3.

Таким образом, при формировании скорректированного курса для облета опасной зоны описанным способом (1)-(7) необходимо учитывать:

1) параметры движения УЛА - координаты, направление и значение скорости;

2) параметры движения ОЗ - координаты центра эллипса аппроксимации, значения полуосей, ориентация (поворот эллипса относительно земной системы координат), направление и значение скорости.

Величины, необходимые для реализации (1)-(7) и составляющие первую группу параметров, измеряются штатными средствами на диспетчерских (командных) пунктах, а величины, составляющие вторую группу - расположены в памяти ЭВМ КПВП, куда они заносятся непосредственно диспетчером (оператором, офицером боевого управления).

Коррекция курса управляемого ЛА прекращается, когда скорректированный курс φ_к, вычисленный по правилу (1), становится равным заданному курсу φ_ЛА управляемого летательного аппарата, определяемому запланированным маршрутом полета.

Спецификой описанного способа является то, что зависимости (1)-(7) построены на основе аппроксимации опасной зоны с неблагоприятными метеоусловиями эллипсом. Такой подход позволяет унифицировать и автоматизировать процесс описания таких зон, тем самым существенно снизить нагрузку на диспетчера (оператора, офицера боевого управления).

Заявленный технический результат обеспечивается предлагаемым способом (1)-(7) управления летательным аппаратом, а также использованием универсального (однотипного) способа описания опасных зон с неблагоприятными метеорологическими условиями, что дает возможность существенно уменьшить время описания таких зон диспетчером (оператором, офицером боевого управления), тем самым снизить на него нагрузку.

Таким образом, указанный технический результат достигается тем, что на основе измеренных значений скорости полета V и курса φ_ЛА управляемого ЛА, а также заданных диспетчером (оператором, офицером боевого управления) значений составляющих $$V_{{З}_x}$$ и $$V_{{З}_y}$$ вектора скорости движения и угла φ_З ориентации опасной зоны с неблагоприятными метеоусловиями, используя (6) и (5) вычисляются значения составляющих $$V_{РЕ{З}_x}$$ и $$V_{РЕ{З}_y}$$ вектора относительной скорости полета УЛА. Далее, используя выражение (4), определяется угол α, задающий направление вектора относительной скорости полета летательного аппарата. Затем, на основе измеренных значений координат x и y УЛА, а также заданных диспетчером (оператором, офицером боевого управления) значений координат x_З и y_З центра ОЗ (эллипса аппроксимации) и ее размеров а и b (полуоси эллипса аппроксимации) применяя (3) и (2), определяются составляющие w_k1 и w_k2 вектора скорости управляемого ЛА. И наконец, используя (1), вычисляется скорректированный курс φ_к полета УЛА, позволяющий произвести облет опасной зоны с неблагоприятными метеорологическими условиями.

Важно отметить, что указанный способ траекторного управления летательным аппаратом может быть реализован в двух режимах:

1) в режиме командного наведения, в котором параметры движения управляемого летательного аппарата - значение скорости и значение курса УЛА - определяются на диспетчерском (командном) пункте управления;

2) в автономном режиме, в котором параметры движения управляемого летательного аппарата - значение скорости и значение курса УЛА - определяются непосредственно на борту ЛА.

Этот обстоятельство позволяет использовать описанный способ управления для коррекции траекторий полета летательных аппаратов как гражданской, так и военной авиации, при облете ими зон с неблагоприятными метеорологическими условиями.

Литература

[1] Верба В.С. Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. М.: Радиотехника. 2008. 432 с.

[2] Авиация ВВС России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра / Е.А. Федосов [и др.]. М.: Дрофа, 2005.

[3] Авиационные системы радиоуправления. Т.3. Системы командного радиоуправления. Автономные и комбинированные системы наведения / В.И. Меркулов, А.И. Канащенков [и др.]. М.: Радиотехника, 2004. 317 с.

[4] Авиация ПВО России и научно-технический прогресс. Боевые комплексы и системы вчера, сегодня, завтра / Е.А. Федосов [и др.]. М.: Дрофа, 2001.

[5] Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. М.: Машиностроение, 2004.

Изобретение относится к области авиации, в частности к способам траекторного управления летательных аппаратов (ЛА). Способ автоматизации процесса коррекции траектории полета ЛА, осуществляющего движение по заранее запланированному маршруту, при облете опасных зон (зон с неблагоприятными метеорологическими условиями) предполагает аппроксимацию опасной зоны окружностью. Требуемый курс для ЛА формируют в виде скорректированного значения курса, вычисленного на основе традиционных методов наведения. Параметры определяют либо на диспетчерском (командном) пункте, либо непосредственно на борту ЛА. Корректировку курса ЛА начинают тогда, когда расстояние от наводимого ЛА до центра опасной зоны становится меньше определенной величины. Повышается безопасность полетов и эффективность работы диспетчеров (операторов, офицеров боевого управления) за счет унификации описания опасных зон. 3 ил.

Способ управления пилотируемыми и беспилотными летательными аппаратами (ЛА) с облетом опасных зон с неблагоприятными метеорологическими условиями с диспетчерского (командного) пункта (ДП), заключающийся в том, что вывод летательного аппарата на запланированную траекторию полета производится по траектории облета опасной зоны (ОЗ) с неблагоприятными метеорологическими условиями с заданным курсом φ_ЛА, отличающийся тем, что ОЗ аппроксимируется эллипсом, а траектория ЛА при сближении с ОЗ корректируется путем замены заданного курса φ_ЛА ЛА, на курс ф_к, вычисленный по правилу:
$${\varphi }_{к}=arctg\left(\frac{w_{k2}}{w_{k1}}\right),(1)$$
где w_k1 и w_k2 - составляющие вектора скорости управляемого ЛА определяются как:
$$\begin{array}{l}{w}_{k1}=\cos ({\varphi }_{З})\left(\sin (\alpha )+a^2\frac{(u_2^2-u_1^2)\sin (\alpha )-2u_1{u}_2\cos (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right)-\\ -\sin ({\varphi }_{З})\left(\cos (\alpha )+b^2\frac{(u_1^2-u_2^2)\cos (\alpha )-2u_1{u}_2\sin (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right),(2)\end{array}$$
$$\begin{array}{l}{w}_{k2}=\sin ({\phi }_{З})\left(\sin (\alpha )+a^2\frac{(u_2^2-u_1^2)\sin (\alpha )-2u_1{u}_2\cos (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right)+\\ +\cos ({\phi }_{З})\left(\cos (\alpha )+b^2\frac{(u_1^2-u_2^2)\cos (\alpha )-2u_1{u}_2\sin (\alpha )}{{(u_1^2+u_2^2)}^2}\right),\end{array}$$
где φ_з - угол ориентации опасной зоны с неблагоприятными метеоусловиями;
a и b - полуоси эллипса;
u₁, u₂ - переменные, определяющие координаты положения управляемого ЛА относительно центра опасной зоны в системе координат, связанной с направлением осей эллипса определяются как:
$$\begin{array}{l}{u}_1=\left(x-x_{З}\right)\cos ({\phi }_{з})+\left(y-y_{З}\right)\sin ({\phi }_{з})\\ u_2=\left(y-y_{З}\right)\cos ({\phi }_{з})-\left(x-x_{З}\right)\sin ({\phi }_{з}),(3)\end{array}$$
где x_З и y_З - координаты центра ОЗ (эллипса аппроксимации);
x и y - координаты управляемого летательного аппарата;
α - угол, определяющий направление вектора скорости летательного аппарата относительно опасной зоны с учетом поворота земной системы координат на угол φ_з, определяется по правилу:
$$\alpha =arctg\left(\frac{V_{РЕ{З}_y}}{V_{РЕ{З}_x}}\right),(4)$$
где $$V_{РЕ{З}_x}$$ и $$V_{РЕ{З}_y}$$ - составляющие вектора относительной скорости управляемого ЛА с учетом движения ОЗ определяются как:
$$\begin{array}{l}{V}_{РЕ{З}_x}=\left(V_{Л{А}_x}-V_{{З}_x}\right)\cos ({\varphi }_{З})+\left(V_{Л{А}_y}-V_{{З}_y}\right)\sin ({\varphi }_{З})\\ V_{РЕ{З}_y}=\left(V_{Л{А}_y}-V_{{З}_y}\right)\cos ({\varphi }_{З})-\left(V_{Л{А}_x}-V_{{З}_x}\right)\sin ({\varphi }_{З}),(5)\end{array}$$
где $$V_{{З}_x}$$ и $$V_{{З}_y}$$ - составляющие вектора скорости движения опасной зоны с неблагоприятными метеорологическими условиями;
$$V_{Л{А}_x}$$ и $$V_{Л{А}_y}$$ - составляющие вектора скорости управляемого ЛА, определяемые по правилу:
$$\begin{array}{l}{V}_{Л{А}_x}=V\sin ({\varphi }_{ЛА})\\ V_{Л{А}_y}=V\cos ({\varphi }_{ЛА}),(6)\end{array}$$
где V - значение скорости управляемого ЛА;
φ_ЛА - значение курса управляемого ЛА,
при этом корректировка траектории управляемого ЛА начинается с момента, когда расстояние от управляемого ЛА до центра опасной зоны с неблагоприятными метеорологическими условиями становится меньше определенной заданной величины L:
$$\sqrt{{(x-x_{З})}^2+{(y-y_{З})}^2}\le L(7)$$
и осуществляется до момента, когда скорректированный курс φ_к становится равным заданному курсу ЛА φ_ЛА.