СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПОСАДКИ ЛА В СЛОЖНЫХ МЕТЕОУСЛОВИЯХ И СИСТЕМА ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2016 года по МПК B64F1/18 G01S17/50 

Изобретение относится к авиационным системам и может быть использовано в светосигнальном оборудовании аэродромов с целью обеспечения пространственной ориентации пилота ЛА при выполнении посадки ЛА в условиях ограниченной метеовидимости.

Известен способ обеспечения визуальной ориентации относительно траектории снижения (глиссады) при выполнении посадки ЛА, рекомендованный нормами ИКАО [1] (Приложение 14 к Конвенции о международной гражданской авиации. Аэродромы. Том I. Проектирование и эксплуатация аэродромов. Издание четвертое. -М.: Авиаиздат, 2004, 272 с.), в котором вблизи зоны приземления сбоку от ВПП устанавливают четыре оптических излучателя с двухцветными пучками света, которые направляют под заданными углами в сторону ЛА, выполняющего посадку. При этом в диапазоне допустимых траекторий посадки (см. [1] Доп. А-4, рис. A-4), формируются световые зоны с соответствующим цветом от каждого излучателя. По комбинации цветов 4-х излучателей пилот визуально определяет положение ЛА относительно плоскости глиссады.

Известна система PAPI [2] (Басов Ю.Г. Светосигнальные устройства. -М.: Транспорт, 1993, 309 с.) для реализации вышеуказанного способа, которая содержит установленные вблизи зоны приземления у боковой границы ВПП перпендикулярно ее оси четыре оптических излучателя, снабженных устройствами формирования двухцветных световых пучков с заданными диаграммами распределения силы света, с возможностью установки световых пучков каждого оптического излучателя с заданными углами в направлении ЛА, выполняющего посадку.

Недостатком способа [1] и устройства [2] является малая эффективность при ориентации в сложных метеоусловиях из-за значительных потерь излучения, вследствие удаленности оптических излучателей от местонахождения ЛА в момент перехода к визуальной ориентации, что, соответственно, приводит к ограничению дальности обнаружения световых сигналов. Кроме того, указанный способ недостаточно информативен, так как он не обеспечивает ориентацию относительно заданного курса.

Известна светосигнальная система [3] (Патент РФ № 2191143, МПК B64F 1/20) аэродрома, включающая огни осевой линии, ограничительные, боковые и входные огни взлетно-посадочной полосы (ВПП), огни зоны приземления и огни зоны приближения, установленные вдоль двух линий, сходящихся на оси ВПП в начальной ее части. Данное техническое решение за счет расположения огней приближения на расстояниях 900÷1000 м от порога ВПП позволяет, при выполнении посадки ЛА в условиях ограниченной метеовидимости, раньше, чем в системе PAPI [2], обнаруживать световые сигналы (ориентиры).

Недостатками системы [3] являются неоднозначность определения положения ЛА относительно плоскости глиссады и ограниченность ориентации в сложных метеоусловиях из-за невидимости ориентиров (огней), наиболее удаленных от ЛА.

Известен способ [4] (Лазеры в авиации / Под ред. Сидорина В.М. -М.: Воениздат, 1982, 160 с.) обеспечения посадки ЛА, заключающийся в установке вблизи зоны приземления у боковой границы и порога ВПП лазеров (оптических излучателей) с малой расходимостью лучей, формировании согласованных с заданной траекторией посадки направлений лучей, образующих в диапазоне допустимых траекторий посадки ЛА визуальные линейные ориентиры, по которым определяют отклонения ЛА от заданной траектории посадки.

Недостатком способа [4] является ограниченная (плохая) видимость или полное отсутствие видимости линейных ориентиров в сложных метеоусловиях, связанная с удаленностью лазерных излучателей от места их установки до начала участка визуальной ориентации.

Известны система [5] (Авторское свидетельство SU № 1828036 B64F 1/18) и система [6] (Патент РФ № 2369532, МПК B64F 1/18), которые содержат установленные вблизи взлетно-посадочной полосы (ВПП) со стороны захода ЛА на посадку лазерные излучатели, два из которых - глиссадные - расположены по краям полосы вблизи зоны приземления и предназначены для формирования лучей, определяющих плоскость глиссады, а третий - курсовой - расположен на продолжении осевой линии полосы и предназначен для формирования луча, определяющего курс посадки.

Недостатком систем [5 и 6] является затруднения или невозможность ориентации в сложных метеоусловиях из-за ослабления лазерного излучения при его прохождении от места установки лазерных излучателей до начала участка визуальной ориентации.

Наиболее близким техническим решением является система [7] (Патент РФ № 2397115, МПК B64F 1/18) для обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях, содержащая дальнюю и ближнюю приводные радиостанции, глиссадные и курсовой лазерные излучатели и N-пар оптических излучателей, расположенных симметрично относительно оси ВПП и распределенных между ближней приводной радиостанцией и порогом ВПП, при этом лучи оптических излучателей пересекаются в точке на оси курсового лазерного луча.

Недостатком технического решения [7] является малая информативность ориентации относительно плоскости глиссады вследствие удаленности глиссадных лазерных излучателей от места их установки до начала участка визуальной ориентации.

Целью предлагаемого способа обеспечения посадки ЛА и системы его реализации является увеличение протяженности участка визуальной ориентации в сложных метеоусловиях.

Суть способа заключается в расположении вдоль боковых границ допустимых траекторий посадки N-пар оптических излучателей, создании за счет рассеяния их лучей визуальных линейных ориентиров и определении по изменениям линейных и угловых размеров между ближайшими (видимыми) линейными ориентирами отклонений ЛА от заданной траектории (видимость ориентиров обеспечивается в сложных метеоусловиях за счет расширения индикатриссы рассеяния лучей и близости их расположения от пилота).

Способ обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях отличается от известного технического решения, заключающегося в установке на уровне земли, симметрично от оси ВПП, вдоль заданной траектории посадки N-пар оптических излучателей с лучами малой расходимости; формировании согласованных с заданной траекторией посадки направлений лучей, образующих в диапазоне допустимых траекторий посадки ЛА визуальные линейные ориентиры, по которым определяют отклонения ЛА от заданной траектории посадки тем, что N-пар оптических излучателей устанавливают на линиях, образованных проекциями на уровень земли правой и левой боковых границ диапазона допустимых траекторий посадки; лучи оптических излучателей направляют перпендикулярно плоскости глиссады, а определение отклонений ЛА от заданной траектории посадки осуществляют по изменению расстояний и углов между линейными ориентирами.

Кроме того:

- определение отклонения ЛА от заданного курса посадки осуществляют по изменению (разнице) расстояний между соседними линейными ориентирами на правой и симметричными соседними ориентирами на левой границах диапазона допустимых траекторий посадки.

- определение отклонения ЛА от заданной плоскости глиссады осуществляют по изменению угла между линейными ориентирами от лучей N-пар излучателей.

-определение отклонения ЛА от заданной плоскости глиссады осуществляют по изменению угла между линейным ориентиром и вертикалью.

Система обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях отличается от известного технического решения, содержащего дальнюю и ближнюю приводные радиостанции и N-пар оптических излучателей, расположенных симметрично относительно оси ВПП и распределенных между ближней приводной радиостанцией и порогом ВПП тем, что N-пар оптических излучателей расположены на линиях, образованных проекциями на уровень земли правой и левой боковых границ диапазона допустимых траекторий посадки, а их лучи направлены перпендикулярно плоскости глиссады.

Кроме того:

- оптические излучатели выполнены с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения;

- оптические излучатели выполнены с возможностью изменения спектрального состава (цвета);

- оптические излучатели выполнены на основе лазерных излучателей;

- оптические излучатели выполнены на основе светодиодных излучателей.

Сущность способа и устройства обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях поясняется схемами фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3. На фиг. 1 показана схема расположения оптических излучателей и направления их лучей в пространстве. На фиг. 2 - схема определения отклонений ЛА от заданного курса посадки. На фиг. 3 - схема определения отклонений ЛА от заданной глиссады снижения.

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 приняты следующие условные обозначения:

1 - взлетно-посадочная полоса (ВПП); 2 - ось ВПП; 3 - прицельная точка посадки (зона приземления); 4 - порог ВПП; 5 - заданная траектория посадки летательного аппарата (ЛА);

6 - ближняя приводная радиостанция; 7 - линии проекций на уровень земли правой и левой боковых границ диапазона допустимых траекторий посадки; 8 - летательный аппарат (ЛА);

9 - уровень (поверхность) земли; 10 - визуально воспринимаемая линия вертикали;

И₁, И₂, …,И_n-1, И_n - оптические излучатели; Л₁,.Л₂, …, Л_n-1, Л_n - лучи оптических излучателей; ЛО_n, ЛО_n-1 - визуально воспринимаемые линейные ориентиры от лучей Л_n, Л_n-1;

l_лев - визуально воспринимаемое расстояние между соседними линейными ориентирами на левой боковой границе диапазона допустимых траекторий посадки; l_пр - визуально воспринимаемое расстояние между соседними линейными ориентирами на правой боковой границе диапазона допустимых траекторий посадки; α_n - визуально воспринимаемый угол между линейными ориентирами от лучей Л_n N-пар оптических излучателей; γ_n - визуально воспринимаемый угол между линейным ориентиром ЛО_n, и вертикалью.

Обеспечение посадки ЛА в сложных метеоусловиях по заявленному способу рассмотрим на примере его реализации - Системе обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях (фиг. 1).

Система обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях содержит дальнюю (на схеме не указана) и ближнюю (6) приводные радиостанции и N-пар оптических излучателей (И₁, И₂, …, И_n-1, И_n), распределенных между ближней приводной радиостанцией (6) и порогом (4) взлетно-посадочной полосы (ВПП) (1), симметрично относительно оси (2) ВПП. N-пар оптических излучателей расположены на линиях (7), образованных проекциями правой и левой боковых границ диапазона допустимых траекторий посадки на уровень земли (9). Лучи (Л₁, Л₂, …, Л_n-1, Л_n) оптических излучателей направлены перпендикулярно плоскости глиссады, проходящей через заданную траекторию (5) посадки. Лучи (Л₁, Л₂, …, Л_n-1, Л_n) будут видны пилоту ЛА (5) в сложных метеоусловиях из-за расширения индикатрисы рассеяния излучения коллимированных лучей, до углов визирования превышающих 90°. Расположение оптических излучателей (И₁, И₂,…,И_n-1, И_n) и указанное направление их лучей (Л₁, Л₂,…,Л_n-1, Л_n) создает систему протяженных линейных ориентиров, взаимосвязанную с заданной траекторией (5) движения ЛА. Во время выполнения посадки линейные ориентиры будут поочередно находиться на минимальных расстояниях от ЛА на всем протяжении траектории снижения (к примеру, для аэродромов I категории ИКАО ближайшие ориентиры будут на расстоянии 88,5 м от ЛА при его удалении от порога ВПП около 900 м [1]). При видимости ближайших ориентиров, находящихся на таких расстояниях от ЛА, пилот может проводить ориентацию и выполнять визуальную посадку ЛА в метеоусловиях до IIIа категории ИКАО.

Для реализации предложенного способа можно использовать излучатели видимого диапазона спектра, например, в виде ламп накаливания с устройствами коллимации лучей, либо лазерные излучатели (газовые, твердотельные или полупроводниковые) с коллимированными лучами, либо светодиодные излучатели с оптическими системами формирования коллимированных лучей. Дополнительные опции в системе можно получить, используя возможность амплитудной модуляции мощности излучения, при которой можно оценивать удаление ЛА, например, от прицельной точки (3) посадки, по визуально воспринимаемой частоте модуляции ориентиров. Использование оптических излучателей, выполненных с возможностью изменения спектрального состава (цвета), обеспечивает индикацию левой или правой границ диапазона траекторий посадки.

Ориентация и выполнение посадки по предложенному способу эргономична и поясняется схемами (фиг. 2 и фиг. 3). На фиг. 2 показан визуально воспринимаемый вид линейных ориентиров от оптических лучей (Л₁, Л₂, … Л_n-1, Л_n) и изменение расстояний между соседними линейными ориентирами на правой и аналогичными, симметричными им соседними ориентирами на левой границах диапазона допустимых траекторий посадки. Приведены три вида визуальных линейных ориентиров, в зависимости от положения ЛА относительно заданного курса посадки. При нахождении ЛА на заданном курсе посадки пилот видит, что расстояния между ориентирам на левой и правой границах диапазона траекторий посадки будут равны l_лев= l_пр (фиг. 2б). При смещении ЛА влево (фиг. 2а) от заданного курса будет происходить увеличение расстояния между линейными ориентирами на правой границе и уменьшение расстояния на левой границе диапазона траекторий посадки l_лев< l_пр. Соответственно, при смещении ЛА вправо (фиг. 2в), будет происходить увеличение расстояния между линейными ориентирами на левой и уменьшение расстояния между аналогичными ориентирами на правой границе диапазона траекторий посадки l_лев> l_пр, что является информацией для пилота об отклонении ЛА от курса посадки и необходимости его корректировки.

На фиг. 3 показаны видимые пилотом ЛА линейные ориентиры (ЛО_n, ЛО_n-1) от оптических лучей (Л_n, Л_n-1) при 3-х положениях ЛА относительно заданной плоскости глиссады и изменение углов α_i между парными симметричными линейными ориентирами ЛО_n от правого и левого Л_n лучей, а также изменение углов γ_n между ориентиром ЛО_n, и вертикалью (10) в зависимости от положения ЛА. Из схемы видно, что при нахождении ЛА в плоскости глиссады видимые пилотом линейные ориентиры, образованные лучами (Л_n-1, Л_n), параллельны друг другу и ориентиры (ЛО_n, ЛО_n-1) совпадают с вертикалью, то есть углы α_n и γ_n равны нулю. При отклонении ЛА выше глиссады (фиг. 3в) происходит визуальное увеличение расстояний между линейными ориентирами в верхней части и уменьшение расстояний в нижней части схемы ориентации. Это приводит к образованию визуально воспринимаемых углов α_n между симметричными парным ориентирами ЛО_n, и углов γ_n между одним из ориентиров ЛО_n и вертикалью, которые раскрываются в верхней части. Смещение ЛА ниже глиссады (фиг. 3а) приводит к образованию углов между ориентирами α_n и углов γ_n между одним из ориентиров ЛО_n и вертикалью, которые раскрываются в нижней части схемы ориентации.

Для компенсации отклонений ЛА от заданной траектории пилоту ЛА достаточно на основе полученной визуальной информации выполнить управление рулями высоты и/или направления для достижения параллельности визуальных линейных ориентиров и равенства расстояний между парными ориентирами (ЛО_n, ЛО_n-1) на левой на и правой боковых границах диапазона допустимых траекторий посадки.

Данное техническое решение обеспечивает в сложных метеоусловиях пилота ЛА светосигнальной информацией, которая по сравнению с аналогами имеет более высокую эффективность и информативность и повышает безопасность выполнения посадки ЛА.

Предложенные система и способ посадки могут являться дополнительными светосигнальными средствами обеспечения посадки в сложных метеоусловиях или использоваться совместно с имеющимся светосигнальным оборудованием для обеспечения полетов. Важным фактором является безопасность использования предложенной системы. Даже при случайном попадании ЛА на границу диапазона допустимых траекторий посадки (в зону действия прямого излучения) предложенная система посадки не может вызвать ослепления пилота или пассажиров прямым лазерным излучением, так как лучи могут осветить только нижнюю поверхность ЛА.

Реализация способа и системы обеспечения посадки не представляет технической сложности.

Источники информации

1. Приложение 14 к Конвенции о международной гражданской авиации. Аэродромы. Том I. Проектирование и эксплуатация аэродромов. Издание четвертое. -М.: Авиаиздат, 2004. 272 с.

2. Басов Ю.Г. Светосигнальные устройства. -М.: Транспорт, 1993. 309 с.

3. Патент РФ № 2191143, МПК B64F 1/20.

4. Лазеры в авиации / Под ред. Сидорина В.М. -М.: Воениздат, 1982. 160 с.

5. Авторское свидетельство SU № 1828036, B64F 1/18.

6. Патент РФ № 2369532, МПК B64F 1/18.

7. Патент РФ № 2397115, МПК B64F 1/18.

Группа изобретений относится к способу и системе обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях. Для обеспечения посадки устанавливают на уровне земли симметрично от оси ВПП вдоль заданной траектории посадки N- пар оптических излучателей с лучами малой расходимости в качестве визуальных ориентиров на линиях, образованных проекциями на уровень земли правой и левой боковых границ допустимых траекторий посадки, лучи направляют перпендикулярно плоскости глиссады, определяют отклонения ЛА от заданной траектории по изменению расстояний и углов между линейными ориентирами. Система обеспечения посадки содержит дальнюю и ближнюю приводные радиостанции, N-пар оптических излучателей, выполненных с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения, или изменения спектрального состава, или на основе лазерных излучателей, или на основе светодиодных излучателей, расположенных определенным образом. Обеспечивается увеличение участка визуальной ориентации для посадки в сложных метеоусловиях. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях, заключающийся в установке на уровне земли, симметрично от оси ВПП, вдоль заданной траектории посадки N-пар оптических излучателей с лучами малой расходимости; формировании согласованных с заданной траекторией посадки направлений лучей, образующих в диапазоне допустимых траекторий посадки ЛА визуальные линейные ориентиры, по которым определяют отклонения ЛА от заданной траектории посадки, отличающийся тем, что N-пар оптических излучателей устанавливают на линиях, образованных проекциями на уровень земли правой и левой боковых границ диапазона допустимых траекторий посадки; лучи оптических излучателей направляют перпендикулярно плоскости глиссады, а определение отклонений ЛА от заданной траектории посадки осуществляют по изменению расстояний и углов между линейными ориентирами.

2. Способ по п. 1. отличающийся тем, что определение отклонения ЛА от заданного курса посадки осуществляют по изменению (разнице) расстояний между соседними линейными ориентирами на правой и симметричными соседними ориентирами на левой границах диапазона допустимых траекторий посадки.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение отклонения ЛА от заданной плоскости глиссады осуществляют по изменению угла между линейными ориентирами от лучей N-пар излучателей.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что определение отклонения ЛА от заданной плоскости глиссады осуществляют по изменению угла между линейным ориентиром и вертикалью.

5. Система обеспечения посадки ЛА в сложных метеоусловиях, содержащая дальнюю и ближнюю приводные радиостанции и N-пар оптических излучателей, расположенных симметрично относительно оси ВПП и распределенных между ближней приводной радиостанцией и порогом ВПП; отличающаяся тем, что N-пар оптических излучателей расположены на линиях, образованных проекциями на уровень земли правой и левой боковых границ диапазона допустимых траекторий посадки, а их лучи направлены перпендикулярно плоскости глиссады.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что оптические излучатели выполнены с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения.

7. Система по пп. 5, 6, отличающаяся тем, что оптические излучатели выполнены с возможностью изменения спектрального состава (цвета).

8. Система по пп. 5, 6, 7, отличающаяся тем, что оптические излучатели выполнены на основе лазерных излучателей.

9. Система по пп. 5, 6, 7, 8, отличающаяся тем, что оптические излучатели выполнены на основе светодиодных излучателей.