СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЫСОТЫ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2015 года по МПК G01C3/08 G01S17/02 G01S17/88 

Предлагаемое изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в любой области, где необходимо периодически определять расстояние до удаленного объекта, в частности, для контроля рельефа подстилающей поверхности и управления режимом полета летательного аппарата (ЛА).

Известен способ определения дальности до удаленного объекта путем зондирования его лазерным импульсом, приема отраженного объектом импульса излучения и определения временного интервала между моментами излучения зондирующего импульса и приема отраженного объектом импульса, по которому судят о дальности до объекта [1].

Недостатком этого способа является необходимость применения лазера, энергия моноимпульсного излучения которого достаточна для обеспечения заданной дальности действия. Обычно большая дальность действия недостижима при использовании миниатюрных лазеров. Это препятствует снижению габаритов и массы аппаратуры, что не позволяет реализовать способ для малогабаритных летательных аппаратов.

Известен метод некогерентного накопления [2, 3], позволяющий повысить дальность действия малогабаритного дальномера при малой энергии зондирующего излучения. Этот метод используется в том числе для определения высоты летательного аппарата [4] дальномером на полупроводниковом лазере.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ определения высоты летательного аппарата [2], путем некогерентного накопления при импульсном лазерном локационном зондировании, заключающийся в N-кратном зондировании подстилающей поверхности импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, определяют временное положение отраженного сигнала T_h относительно момента излучения зондирующего импульса и вычисляют высоту летательного аппарата по формуле h=cT_h/2, где c - скорость света.

При указанной процедуре ошибка измерения зависит от высоты ЛА, поскольку на большой высоте уменьшается отношение сигнал/шум в приемном тракте, и его шумы искажают форму сигнала, что сказывается на ошибке временной фиксации накопленного массива данных. При дальнейшем увеличении высоты ЛА возникает риск полной потери сигнала на фоне шумов и, соответственно, потери замера высоты. При этом возможна также регистрация ложного сигнала, обусловленная накоплением шумовых выбросов, и соответствующий этому ложный замер высоты ЛА. Такие ошибки делают невозможной регулярную выдачу данных о высоте ЛА, например, при 3D-картографировании [5], когда каждый результат в сетке замеров должен быть достоверным. В иных процедурах допускается пропуск отдельных измерений, но требуется более высокая точность или частота выдачи данных, например, при посадке ЛА.

Задачей изобретения является обеспечение необходимой точности измерений Δh при заданных вероятности обнаружения сигнала D и вероятности ложного замера W, а также при требуемой частоте обновления информации F в процессе выполнения различных полетных заданий.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе определения высоты летательного аппарата (ЛА) путем некогерентного накопления при импульсном лазерном локационном зондировании, заключающемся в N-кратном зондировании подстилающей поверхности импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, определяют временное положение отраженного сигнала T_h относительно момента излучения зондирующего импульса и вычисляют высоту летательного аппарата по формуле h=cT_h/2, где c - скорость света, разбивают диапазон высот на K зон, потолок каждой зоны h_K устанавливают согласно полетному заданию, а объем накопления N устанавливают в каждой j-й зоне с учетом амплитуды отраженного сигнала в пределах

,

где

c - скорость света;

ΔT - период тактовой частоты;

Δh_j - предельно допустимая ошибка измерения высоты в j-й зоне высот;

F - частота зондирований;

T_j - заданный период обновления информации в j-й зоне высот.

В процессе зондирования можно определять амплитуду отраженного сигнала и, если она превышает заданное значение, то объем накопления N_j устанавливают из условия , а если не превышает, то из условия N_j=FT_j.

Можно также определять отношение амплитуды отраженного сигнала к шуму η и устанавливать объем накопления N_j в пределах равным N_j=(η₁/η)², где η₁ - отношение сигнал/шум, обеспечивающее заданные обнаружительные характеристики при N_j=1.

Границы зон можно, например, устанавливать в соответствии со схемой эшелонирования.

На фиг. 1 представлен профиль полета летательного аппарата.

Диапазон высот разбит на три зоны.

Первая зона 0≤h≤h₁ определяется режимами взлета и посадки. Измерения высоты в этой зоне нужны для обеспечения оптимальных траекторий полета в автоматическом режиме пилотирования. Зона характеризуется высоким уровнем отношения сигнал/шум и, соответственно, высокой достоверностью измерений. В этой зоне требуется большая частота обновления информации, а также высокая точность.

Вторая зона h₁≤h≤h₂ - промежуточная. Измерения в ней производят более редко и с невысокими требованиями по точности и достоверности. Отношение сигнал/шум относительно велико. Измерения высоты в этой зоне служат для контроля высоты полета вне рабочего режима.

Третья зона h₂≤h≤h₃ - рабочая. Отношение сигнал/шум в ней минимально, а требования к достоверности измерений - наиболее жесткие.

Кроме указанного разбиения возможно увеличение или уменьшение числа рабочих зон.

Пример 1. Полетное задание - картографирование местности из третьей зоны.

Таблица 1 Режимы зондирования и характеристики измерений Зона ₉T, нс F, 1/с Δh_j, м T_j, мс N N* 0≤h≤h₁=200 м 13,333 8800 0,5 10 16 88 h₁≤h≤h₂=500 м 13,333 8800 2 1000 1 8800 h₂≤h≤h₃=1000 м 13,333 8800 1 100 4 880 Примечание: N*=F T_j - предельно допустимый объем накопления.

Пример 2. Полетное задание - транзитный полет по схеме эшелонирования с привязкой второй и третьей зон к соответствующим эшелонам.

Таблица 2 Режимы зондирования и характеристики измерений Зона ΔT, нс F, 1/с Δh_j, м T_j, мс N N* 0≤h≤h₁=200 м 13,333 8800 0,5 10 16 88 h₁≤h≤h₂=500 м 13,333 8800 10 1000 1 8800 h₂≤h≤h₃=1000 м 13,333 8800 10 1000 1 8800

Указанный в таблицах максимальный объем накопления N* ограничен заданным временем T_j обновления информации о высоте. Этот объем может быть уменьшен, если заданные обнаружительные характеристики (вероятность правильного обнаружения и вероятность ложной тревоги) обеспечиваются при фактическом отношении сигнал/шум. Необходимый при этом объем накопления N** в указанных пределах может быть определен по формуле N**=(η₁/η)², где η₁ - отношение сигнал/шум, обеспечивающее заданные обнаружительные характеристики при N_j=1.

Пример 3. Полетное задание - картографирование местности из третьей зоны. Объем накопления определяется по текущему значению отношения сигнал/шум при η₁=5.

Таблица 3 Режимы зондирования и характеристики измерений Зона ΔT, нс F, 1/c Δh_j, м T_j, мс η N N** N* 0≤h≤h₁=200 м 13,333 8800 0,5 10 10 16 16 88 h₁≤h≤h₂=500 м 13,333 8800 2 1000 1 1 25 8800 h₂≤h≤h₃=1000 м 13,333 8800 1 100 0,2 4 625 880 Примечание: N**=(η₁/η)² - объем накопления, достаточный для измерений при фактическом значении отношения сигнал/шум η.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение позволяет эффективно согласовывать противоречивые требования к точности измерений, обнаружительным характеристикам и частоте обновления информации при определении высоты летательного аппарата в различных режимах полета и, тем самым, расширить возможности его эксплуатации, в частности за счет увеличения диапазона рабочих высот.

Тем самым, подтверждено выполнение поставленной задачи - обеспечение необходимой точности измерений Δh при заданных вероятности обнаружения сигнала D и вероятности ложного замера W, а также при требуемой частоте обновления информации F в процессе выполнения различных полетных заданий.

Источники информации

1. В.А. Смирнов. Введение в оптическую радиоэлектронику. - М.: Советское радио, 1973 г., с. 189.

2. В.Г. Вильнер и др. Оценка возможностей светолокационного импульсного измерителя дальности с накоплением. «Фотоника», №6, 2007 г., с. 22-26 - прототип.

3. В.Г. Вильнер и др. Способ некогерентного накопления светолокационных сигналов. Патент РФ №2455615 по з-ке №2011101613/28, 18.01.2011.

4. Малогабаритный лазерный высотомер ДЛ-5М. «Фотоника» №3, 2013 г., с. 55.

5. Медведев Е.М. Лазерная локация и аэрофототопография. Сборник статей. - М.: Проспект, 2006. - 60 с.

Изобретение относится к способу определения высоты летательного аппарата. При реализации способа осуществляется N-кратное зондирование подстилающей поверхности импульсами лазерного излучения и его некогерентное накопление принятого отражённого от объекта сигнала. По результатам статистической обработки полученных данных определяют временное положение отраженного сигнала T_h относительно момента излучения зондирующего импульса и вычисляют высоту летательного аппарата по формуле h=c T_h/2, где c - скорость света. При этом диапазон высот разбивают на K зон. Объем накопления N в каждой зоне устанавливают в зависимости от периода тактовой частоты импульсов, разделяющих время на интервалы, предельно допустимой ошибки измерения высоты в j-й зоне высот, частоты зондирования и заданного периода обновления информации в j-й зоне высот. Технический результат заключается в обеспечении необходимой точности измерений при заданных обнаружительных характеристиках и при требуемой частоте обновления информации в процессе выполнения различных полетных заданий. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 табл.

1. Способ определения высоты летательного аппарата (ЛА) путем некогерентного накопления при импульсном лазерном локационном зондировании, заключающийся в N-кратном зондировании подстилающей поверхности импульсами лазерного излучения, приеме и регистрации отраженного объектом сигнала с его привязкой к импульсам стабильной тактовой частоты, разделяющим время на нумерованные тактовые интервалы, определяют временное положение отраженного сигнала T_h относительно момента излучения зондирующего импульса и вычисляют высоту летательного аппарата по формуле h=c T_h/2, где c - скорость света, отличающийся тем, что разбивают диапазон высот на K зон, потолок каждой зоны h_K устанавливают согласно полетному заданию, а объем накопления N устанавливают в каждой j-й зоне с учетом амплитуды отраженного сигнала в пределах
,
где
c - скорость света;
ΔT - период тактовой частоты;
Δh_j - предельно допустимая ошибка измерения высоты в j-й зоне высот;
F - частота зондирований;
T_j - заданный период обновления информации в j-й зоне высот.

2. Способ определения высоты летательного аппарата по п. 1, отличающийся тем, что определяют амплитуду отраженного сигнала и, если она превышает заданное значение, то объем накопления N_j устанавливают из условия , а если не превышает, то из условия N_j=FT_j.

3. Способ определения высоты летательного аппарата по п. 1, отличающийся тем, что определяют отношение амплитуды отраженного сигнала к шуму η и устанавливают объем накопления N_j в пределах равным N_j=(η₁/η)², где η₁ - отношение сигнал/шум, обеспечивающее заданные обнаружительные характеристики при N_j=1.

4. Способ определения высоты летательного аппарата по п. 1, отличающийся тем, что границы зон устанавливают в соответствии со схемой эшелонирования.