СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ ДОСЯГАЕМОСТИ ПАРАШЮТИСТОМ ЦЕЛЕВОЙ ТОЧКИ ПРИЗЕМЛЕНИЯ Российский патент 2019 года по МПК G01C21/00 

Заявляемое изобретение относится к способам информационного обеспечения управляемого спуска на парашюте военнослужащих и специалистов других силовых структур.

Известен способ управления парашютом при работе на точность приземления [1]. Способ формулирует общие принципы управления парашютными системами различных типов и содержит основные понятия и определения (конус возможностей купола, створ ветра и др.) процесса спуска. Недостатком способа [1] является отсутствие расчетных соотношений и конкретных правил определения зоны досягаемости точки приземления.

Известен способ навигационного обеспечения процесса спуска, реализованный в высотном парашютном навигационном компьютере [2]. Способ предусматривает отображение на дисплее навигационного компьютера рекомендуемой (прогнозируемой) траектории спуска, рассчитываемой с учетом характеристик парашюта, парашютиста и координат целевой точки. Главным недостатком данного способа является расчет и отображение только рекомендуемой траектории без указания допустимых пределов маневрирования, в большинстве случаев необходимого для обеспечения высокой точности приземления и безопасности полета. Это обусловлено отсутствием в способе функции определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки.

Известен способ определения зоны досягаемости точки приземления, реализованный в навигационном дисплее парашютистов [3]. Способ предполагает построение конуса возможностей парашютного купола (навигационной трубки, воронки (navigation tunnel, funnel) по терминологии патента [3]) и удержание в нем парашютиста при спуске. Зона досягаемости отображается на дисплее в виде концентрических окружностей для различных высот полета парашютиста. Главным недостатком способа является отсутствие математического аппарата расчета параметров конуса возможностей и зоны досягаемости. Декларируется принципиальная возможность их определения и построения, а сам способ [3], по сути, является лишь графической иллюстрацией такой возможности. Недостатками также являются представление зоны досягаемости при ненулевом ветре в виде окружностей (на самом деле это эллипсы) и ограничение определения скорости ветра только априорными данными (без привлечения измерений, например, анемометра).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения параметров конуса возможностей парашютного купола, реализованный в модульной информационной системе парашютиста [4]. Способ предполагает использование устанавливаемых на парашютисте модуля спутниковой навигации, датчика скорости ветра, средства отображения и вычислительного модуля с встроенными программными модулями отображения на электронной карте местности целевой точки и положения парашютиста. Сущность способа заключается в определении по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра угла раствора конуса возможностей парашютного купола и угла отклонения оси конуса возможностей от вертикали в целевой точке.

Недостатки способа-прототипа [4] обусловлены отсутствием функции определения зоны досягаемости, сложностью и дороговизной реализации, а также непригодностью для применения большинством парашютистов, владеющих стандартной техникой прыжка.

Рассмотрим недостатки способа и их причины более подробно.

В способе [4] зона досягаемости целевой точки приземления трактуется как конус возможностей парашютного купола - участок воздушного пространства, ограниченный трехмерной поверхностью в виде конуса с вершиной в заданной целевой точке и горизонтальным основанием, проходящим через центр масс парашютиста. Определение параметров конуса ограничивается расчетом углов раствора β и отклонения его оси от вертикали в целевой точке γ (соотношения (1)-(3) описания патента [4]). Необходимые для расчета значения аэродинамического качества купола K, средней скорости ветра w_cp, средних путевой скорости v_пcp и скорости снижения v_hcp парашютиста определяются по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра либо по априорным данным о типе парашюта и высотном профиле скорости ветра. Вместе с тем, отметка на электронной карте местности горизонтальной границы конуса возможностей (отметка 9.17 на Фиг. 6 описания [4]), являющаяся проекцией основания конуса на плоскость местного горизонта в точке приземления, обозначена лишь графически. Ее форма, ориентация и параметры не рассматриваются и не определяются.

Однако именно эта отметка, которую следует трактовать как зону досягаемости целевой точки и в границах которой необходимо удерживать отметку положения парашютиста (ОП) при управляемом спуске, определяет точность приземления и безопасность полета большинства парашютистов с стандартными навыками прыжка и доступным для массового применения приборным оснащением. Отсутствие в способе-прототипе [4] функции определения зоны досягаемости приводит к низкой точности приземления и безопасности полета.

Реализация способа [4] предполагает использование в качестве средства отображения нашлемного средства дополненной реальности, совмещающего видимое парашютистом реальное изображение местности с формируемыми программными модулями вычислительного модуля трехмерными изображениями электронной карты и конуса возможностей купола.

Однако разработка и изготовление нашлемного средства требуют применения сложных, зачастую уникальных аппаратных и программных технологий: бинокулярных видеоочков с микродисплеями и пикопроекторами, высокопроизводительных процессоров и видеоадаптеров с 3D-ускорителем, 3D-конвейеров для рендеринга трехмерных моделей и др. Перечисленные компоненты отличают высокая стоимость и ограниченная доступность на отечественном рынке. Указанные обстоятельства обусловливают высокую сложность и дороговизну реализации способа [4].

Применение способа [4] оправдано для парашютистов с высоким уровнем профессиональной подготовки, использующих парашютные системы и аппаратуру специального назначения для решения отдельных, особо важных задач. В этом случае возможности трехмерной визуализации местности, электронной карты и конуса возможностей купола востребованы и реализуются в полном объеме, обеспечивая необходимое качество решения специальных задач. Вместе с тем, для большинства парашютистов с стандартными подготовкой и приборным оснащением возможности способа избыточны, а сам способ, в силу сложности освоения и применения, непригоден для массового использования.

Задача, стоящая перед разработчиками заявляемого изобретения, состоит в создании недорогого и простого в реализации и применении способа определения зоны досягаемости целевой точки приземления, обеспечивающего повышение точности приземления и безопасности полета парашютиста.

Для решения указанной задачи в способе определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления, заключающемся в том, что на парашютисте устанавливают модуль спутниковой навигации, датчик скорости ветра, средство отображения и вычислительный модуль с встроенными программными модулями отображения на электронной карте местности целевой точки с заданными координатами и положения парашютиста, по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра определяют текущую высоту полета, средние значения путевой скорости парашютиста, скорости его снижения и скорости ветра, по указанным средним значениям скоростей вычисляют угол раствора конуса возможностей парашютного купола и угол отклонения оси конуса возможностей от вертикали в целевой точке, дополнительно используют встроенный в вычислительный модуль программный модуль формирования и отображения эллиптической зоны досягаемости целевой точки, с помощью указанного программного модуля по значениям текущей высоты полета парашютиста и эксцентриситета эллиптической зоны определяют координаты центра, малую и лежащую в створе ветра большую полуоси эллиптической зоны досягаемости, эксцентриситет эллиптической зоны вычисляют по значениям углов раствора конуса возможностей и отклонения его оси от вертикали в целевой точке, при этом сформированную зону досягаемости отображают на электронной карте местности.

Технический результат заключается в повышении точности приземления и безопасности полета парашютиста, снижении стоимости и простоте реализации и применения способа определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления.

Существенные отличительные признаки заявляемого способа по сравнению с прототипом заключаются в следующем.

1. Используют дополнительный программный модуль, позволяющий сформировать и отобразить с помощью стандартного дисплея картографическое изображение эллиптической зоны досягаемости целевой точки на электронной карте местности. Этим обеспечивается простота реализации способа, его освоения и массового применения парашютистами со стандартным уровнем подготовки.

В прототипе используют программные модули и нашлемное средство дополненной реальности, обеспечивающие совмещение трехмерных изображений электронной карты и конуса возможностей парашютного купола. Это обусловливает высокую стоимость и сложность реализации способа-прототипа, а также ограничивает его применение отдельными группами парашютистов с высоким уровнем специальной подготовки.

2. По значениям текущей высоты полета парашютиста и эксцентриситета эллиптической зоны досягаемости определяют координаты центра, малую и лежащую в створе ветра большую полуоси данной зоны. Этим реализуется функция определения зоны досягаемости целевой точки приземления, обеспечивающей высокую точность приземления и безопасность полета.

В прототипе форма, параметры и ориентация зоны досягаемости не рассматриваются и не определяются. Расчет ограничивается определением углов раствора конуса возможностей и отклонения его оси от вертикали в целевой точке.

3. Эксцентриситет эллиптической зоны досягаемости вычисляют по значениям вышеуказанных углов конуса возможностей. Полученное значение эксцентриситета определяет большую полуось зоны досягаемости.

В прототипе такая задача не решается.

Рассмотренные отличительные признаки позволяют устранить недостатки прототипа и решить поставленную задачу.

Заявляемый способ заключается в следующем.

Определяемая зона досягаемости целевой точки приземления является картографическим изображением на электронной карте местности проекции горизонтального сечения конуса возможностей парашютного купола на текущей высоте полета парашютиста. В отсутствие ветра (средняя скорость ветра w_cp=0) угол отклонения γ оси конуса от вертикали в целевой точке (ЦТ), определяемый соотношением (см. формулу (3) описания прототипа [4]):

равен нулю. В этом случае (см. далее Фиг. 1) зона досягаемости (3Д) целевой точки представляет собой круг, координаты центра которого Х_3Д, Y_3Д, Н_3Д совпадают с заданными координатами Х_ЦТ, Y_ЦТ, Н_ЦТ целевой точки (в системе координат СК-42, проекция Гаусса-Крюгера), а радиус R_3Д равен:

где β - угол раствора конуса возможностей, определяемый формулами (1), (2) описания прототипа:

Н_тек=Н_пар-Н_ЦТ - текущая высота парашютиста над целевой точкой. Здесь Н_пар - текущая высота парашютиста в системе координат СК-42 (определяется модулем спутниковой навигации).

При ненулевом ветре (w_cp≠0) угол γ отличен от нуля, а зона досягаемости (см. Фиг. 2) является эллипсом с плановыми координатами центра (ЦЗД), равными:

Здесь Δ_3D - смещение центра 3Д относительно ЦТ, равное:

α_В - дирекционный угол направления среднего ветра, определяемый датчиком скорости ветра либо задаваемый его высотным профилем.

Малая полуось b_3Д эллиптической зоны совпадает с ранее определенным радиусом R_3Д, b_3Д=R_3Д, а большая полуось а_3Д вычисляется с использованием эксцентриситета е по формуле:

Эксцентриситет эллиптической зоны е равен:

где β, γ - ранее определенные углы конуса возможностей.

Высота центра эллиптической зоны досягаемости Н_3Д в системе координат СК-42 определяется по электронной карте местности координатами Х_3Д, Y_3Д

Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие графические материалы.

Фиг. 1. Конус возможностей и круговая зона досягаемости в отсутствие ветра (Фиг. 1а - конус возможностей, Фиг. 1б - зона досягаемости).

Фиг. 2. Конус возможностей и эллиптическая зона досягаемости при наличии ветра (Фиг. 2а - конус возможностей, Фиг. 2б - зона досягаемости).

Примечание - Фиг. 2 соответствует строго восточному направлению среднего ветра w_cp (дирекционный угол α_В=90°). Большая полуось a_3Д эллиптической зоны лежит в створе ветра, т.е. совпадает с направлением w_cp, а координаты центра зоны Х_3Д, Y_3Д смещены относительно координат Х_ЦТ, Y_ЦТ целевой точки в направлении, противоположном направлению w_cp. При других направлениях ветра соответственно изменяется ориентация эллиптической зоны, большая полуось которой следует за направлением среднего ветра w_cp.

Рассмотрим возможность технической реализации заявляемого способа.

В качестве модуля спутниковой навигации, формирующего текущие путевую скорость V_п, скорость снижения V_h, высоту Н_пар, а также текущие координаты парашютиста Х_пар, Y_пap в системе координат СК-42 (последние необходимы для отображения его положения (отметка ОП) на электронной карте местности) может использоваться многоканальный навигационный приемник МНП-М7 производства АО «Ижевский радиозавод». Приемник недорог и доступен для массового производства и применения. Возможно использование других малогабаритных навигационных приемников, широко представленных на отечественном рынке.

Средство отображения может быть реализовано на базе жидкокристаллического индикатора TX09D200VMOBAA производства компании Kaohsiung Opto-Electronics Inc. Характеристики индикатора соответствуют содержанию и объему информации, предусмотренной для визуального отображения заявляемым способом. Корпусированное исполнение индикатора совместно с управляющим контроллером позволяет создать малогабаритный автономный модуль, размещаемый на запястье или груди транспортного жилета парашютиста в положении, удобном для глаз.

Для реализации датчика скорости ветра, также устанавливаемого на жилете, существует широкая линейка портативных анемометров. Примером может служить электронный мини анемометр WindLiner ANI-20 компании Metron X.

Вычислительный модуль, реализующий алгоритм работы способа (соотношения (1)-(7), включая операцию усреднения скоростей V_п, V_h, W), может строиться с использованием СнК (системы-на кристалле) SmartFusion2, включающей энергонезависимую матрицу ПЛИС, выполненную по Flash-технологии, и полноценную процессорную подсистему на базе процессора ARM Cortex М3.

Таким образом, заявляемый способ определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления может быть реализован и обеспечивает повышение точности приземления и безопасности полета, снижение стоимости и простоту реализации и применения.

Источники информации:

1. Псурцев П.А. Прыжки с парашютом. - М.: ACT: ЛЮКС, 2005 (Тип. изд-ва Самар. Дом печати). - 335 с.

2. Патент US 20070233382.

3. Патент US 20100204910.

4. Патент RU 2681241.

Изобретение относится к способам информационного обеспечения управляемого спуска на парашюте. Способ определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления заключается в том, что на парашютисте устанавливают модуль спутниковой навигации, датчик скорости ветра, средство отображения и вычислительный модуль с встроенными программными модулями отображения на электронной карте местности целевой точки с заданными координатами и положения парашютиста, по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра определяют текущую высоту полета, средние значения путевой скорости парашютиста, скорости его снижения и скорости ветра, по указанным средним значениям скоростей вычисляют угол раствора конуса возможностей парашютного купола и угол отклонения оси конуса возможностей от вертикали в целевой точке. При этом дополнительно используют встроенный в вычислительный модуль программный модуль формирования и отображения эллиптической зоны досягаемости целевой точки, с помощью указанного программного модуля по значениям текущей высоты полета парашютиста и эксцентриситета эллиптической зоны определяют координаты центра, малую и лежащую в створе ветра большую полуоси эллиптической зоны досягаемости, эксцентриситет эллиптической зоны вычисляют по значениям углов раствора конуса возможностей и отклонения его оси от вертикали в целевой точке, при этом сформированную зону досягаемости отображают на электронной карте местности. Технический результат - повышение точности приземления и безопасности полета парашютиста. 2 ил.

Способ определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления, заключающийся в том, что на парашютисте устанавливают модуль спутниковой навигации, датчик скорости ветра, средство отображения и вычислительный модуль с встроенными программными модулями отображения на электронной карте местности целевой точки с заданными координатами и положения парашютиста, по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра определяют текущую высоту полета, средние значения путевой скорости парашютиста, скорости его снижения и скорости ветра, по указанным средним значениям скоростей вычисляют угол раствора конуса возможностей парашютного купола и угол отклонения оси конуса возможностей от вертикали в целевой точке, отличающийся тем, что дополнительно используют встроенный в вычислительный модуль программный модуль формирования и отображения эллиптической зоны досягаемости целевой точки, с помощью указанного программного модуля по значениям текущей высоты полета парашютиста и эксцентриситета эллиптической зоны определяют координаты центра, малую и лежащую в створе ветра большую полуоси эллиптической зоны досягаемости, эксцентриситет эллиптической зоны вычисляют по значениям углов раствора конуса возможностей и отклонения его оси от вертикали в целевой точке, при этом сформированную зону досягаемости отображают на электронной карте местности.