Способ включения заблаговременно сформированного маневра в полётное задание беспилотного планирующего летательного аппарата Российский патент 2021 года по МПК G05D1/08 G08G5/00 G01C23/00 

Изобретение относится к области наведения беспилотных планирующих летательных аппаратов (БПЛА) и может быть использовано при эксплуатации таких летательных аппаратов.

Наиболее близким к данному изобретению является «Способ формирования маневров произвольной конфигурации на конечном участке траектории планирующего беспилотного летательного аппарата» (RU 2554568, 2015), базирующийся на следующих основных положениях.

1. Движение БПЛА осуществляется с последовательным наведением на заданные опорные точки M_j (j=1, …, k).

2. Траектория БПЛА большой дальности полёта состоит из маршевого участка (МУ) и конечного участка (КУ).

3. Опорные точки МУ определяются на картах местности, а их геодезические координаты B_j, L_j, H_j включаются в состав данных полётного задания (ПЗ) БПЛА.

4. Опорные точки КУ задаются в пространстве так, что последовательное наведение на них определяет маневр БПЛА заданной конфигурации. Расстановка опорных точек маневра желаемой конфигурации определяется заблаговременно моделированием движения БПЛА с учетом ограничений на управляющие параметры. Координаты опорных точек M_j(, h_j, z_j), (j=1, …, N), удовлетворяющих ограничениям, фиксируются в условной, не привязанной к местности прямоугольной системе координат (Таблица 1) с соответствующим масштабированием осей и хранятся в базе данных (БД).

5. В процессе подготовки БПЛА к полёту из БД выбирается нужный маневр на КУ, а условные координаты опорных точек маневра , h_j, z_j преобразуются в геодезические координаты B_j, L_j, H_j и включаются в состав данных ПЗ БПЛА. При подготовке конкретного полёта БПЛА в его ПЗ помимо координат опорных точек выбранного варианта маневра на КУ также вносятся геодезические координаты конечной точки полёта БПЛА -Ц(В_Ц, L_Ц, Н_Ц) - и азимут оси определяющий ориентацию системы координат в пространстве при совмещении точки О_у с точкой Ц и оси O_yh с вертикальной осью Цу_N нордовой системы координат Цx_Ny_Nz_N.

Отметим, что в Таблице 1 первые опорные точки всех маневров М₁ имеют стандартные, одинаковые для всех, условные координаты. При формировании МУ любой траектории БПЛА их последние точки определяются также на стандартном расстоянии от цели, равном значению координаты опорных точек КУ М₁. Это позволит упростить задачу сопряжения КУ с МУ.

Реализуемость поворотов БПЛА с допустимыми значениями управляющих параметров при наведении с одной опорной точки КУ на другую обеспечивается при формировании конфигураций маневров еще на предварительном этапе - этапе разработки баллистического обеспечения БПЛА. Но сопряжение КУ с МУ должно осуществляться в процессе предстартовой подготовки по-разному, т.е. при различных углах поворота БПЛА в точке сопряжения.

Недостатком способа формирования ПЗ БПЛА, описанного в аналоге, является то, что не определен способ сопряжения МУ и КУ, что может привести к срыву наведения БПЛА на вторую опорную точку КУ из-за слишком большого угла β между сопрягаемыми звеньями МУ и КУ траектории БПЛА. На Фигуре 1 схематично (в плане) изображена ситуация, при которой угол β между направлением скорости БПЛА в точке сопряжения двух участков траектории и направлением на следующую опорную точку М₂ КУ оказался больше допустимого (зависимость угла от скорости V вида определяется заблаговременно) и таким, что разворот БПЛА с максимально допустимыми управляющими параметрами приводит к срыву наведения БПЛА.

Безусловно, на этапе контроля реализуемости ПЗ методом математического моделирования полёта – это некорректное сопряжение КУ с МУ будет обнаружено, но потребуется дополнительное время на замену маневра и новую проверку реализуемости ПЗ БПЛА.

Задачей изобретения является предложение способа сопряжения любых КУ с МУ с заведомо допустимыми углами β.

Технический результат достигается тем, что условные координаты опорных точек маневра преобразуют в систему прямоугольных геоцентрических координат с использованием геодезических координат цели и последней опорной точки маршевого участка траектории БПЛА; полученные координаты опорных точек маневра включают в состав данных полётного задания БПЛА; к заданной совокупности опорных точек любого маневра в условной системе координат заблаговременно добавляют еще одну опорную точку в вертикальной координатной плоскости на удалении от точки, считавшейся первой, достаточном для разворота БПЛА с максимальной скоростью в направлении на вторую опорную точку маневра; последнюю опорную точку маршевого участка траектории БПЛА задают на расстоянии от цели, равном расстоянию первой точки маневра БПЛА от начала условной системы координат.

Сущность изобретения поясняется приведенным ниже описанием и Фигурами 2 и 3.

Суть предлагаемого способа корректного включения в ПЗ БПЛА заблаговременно сформированного маневра беспилотного планирующего летательного аппарата та же, что и в ближайшем аналоге, только первую опорную точку маневра на конечном участке совмещают с последней опорной точкой маршевого участка траектории БПЛА, к заданной совокупности опорных точек маневра в условной системе координат добавляют еще одну опорную точку, а последнюю опорную точку маршевого участка траектории БПЛА задают на расстоянии от цели, равном расстоянию первой точки маневра БПЛА от начала условной системы координат.

Последовательность включения заблаговременно сформированного маневра в полётное задание беспилотного планирующего летательного аппарата включает в себя следующие операции.

1. Первая опорная точка маневра на КУ совмещается с последней опорной точкой МУ траектории БПЛА.

2. К совокупности опорных точек всех маневров БПЛА на КУ в качестве первой точки маневра добавляется еще одна опорная точка в плоскости условной системы координат на стандартном удалении от точки О_у, равном Величина определяется при моделировании на ЭВМ движения БПЛА на участке подхода к последней опорной точке МУ с направления, заданного углом по отношению к требуемому направлению дальнейшего движения (Фиг. 2). Величина определяется как расстояние, на котором траектория БПЛА развернется в требуемое направление на опорную точку М₂ при соблюдении ограничений на управляющие параметры.

3. Ранее установленное расстояние последней опорной точки МУ от цели увеличивается на величину (Фиг. 3).

На Фигуре 3 отображено корректное сопряжение КУ с МУ в добавленной опорной точке, ставшей первой точкой любого маневра БПЛА, содержащегося в БД. Сопряжение МУ с КУ в дополнительной точке автоматически приводит к поворотам траектории БПЛА с допустимыми значениями углов

При формировании ПЗ БПЛА преобразование условных координат опорных точек КУ в геодезические координаты осуществляется по алгоритму, который включает привязку условной системы координат к местности. Привязка системы координат к местности одновременно является сопряжением конечного участка траектории БПЛА с маршевым участком и осуществляется следующим образом.

1. Начало системы координат - точка О_у - совмещается с целью (точкой Ц) и приобретает ее геодезические координаты В_ц, L_ц, Н_ц (в Таблице 1 – это опорные точки М₆ всех маневров). Точке сообщаются координаты конечной точки маршевого участка траектории БПЛА: , , . Высота Н_к точки и ее расстояние от цели при формировании любых МУ траекторий БПЛА - величины стандартные. В результате вместо системы координат имеем систему две точки в которой привязаны к местности, а остальные точки - - имеют в ней условные координаты , h_j, z_j.

2. Привязка остальных опорных точек КУ к местности осуществляется в форме преобразования их условных координат в относительную геоцентрическую гринвичскую прямоугольную систему координат Oξηζ по формуле:

где

где - матрица направляющих косинусов, связывающая систему координат Oξηζ, с прямоугольной нордовой системой Цx_Ny_Nz_N с началом в точке Ц:

- матрица направляющих косинусов, связывающая систему координат с нордовой системой Цx_Ny_Nz_N:

где - азимут оси системы координат который можно определить из скалярного произведения векторов и - ортов первых осей систем координат и Цx_Ny_Nz_N соответственно:

где (см. 1-ю строку матрицы (3))

Орт может быть определен как единичный вектор в направлении от точки Ц к точке на оси являющейся проекцией точки М₁ на эту ось. Ее координаты в системе координат Oξηζ определяются так же, как и координаты точки Ц (см. (2)), только ее высота будет другой - она равна высоте точки Ц, увеличенной на влияние кривизны поверхности Земли на расстоянии от точки Ц:

где

Небольшая погрешность учета кривизны поверхности Земли на решение задачи сопряжения МУ и КУ не влияет.

3. После того как по формуле (1) будут определены координаты всех опорных точек КУ в системе координат Oξηζ, их геодезические координаты определяются по формулам:

Полученные координаты опорных точек МУ вводятся в ПЗ БПЛА, дополняя совокупность опорных точек МУ траектории БПЛА.

Перевод прямоугольных координат опорных точек из системы Oξηζ в геодезическую систему не требуется для работы системы наведения БПЛА, но может использоваться для отображения следа траектории на картах местности.

В качестве примера корректного задания заблаговременно сформированных маневров БПЛА в Таблице 2 представлены те же маневры, что и в Таблице 1, но с добавлением в каждом из них на одинаковых расстояниях еще одной опорной точки в качестве начальных точек маневров.

Изобретение относится к способу включения заблаговременно сформированного маневра в полётное задание беспилотного планирующего летательного аппарата (БПЛА). Для включения маневра в полётное задание преобразуют определенным образом условные координаты опорных точек маневра. Полученные координаты опорных точек включают в состав данных полётного задания БПЛА. К заданной совокупности опорных точек любого маневра в условной системе координат заблаговременно добавляют еще одну опорную точку в вертикальной координатной плоскости на удалении от точки, считавшейся первой, достаточном для разворота БПЛА с максимальной скоростью в направлении на вторую опорную точку маневра. Последнюю опорную точку маршевого участка траектории БПЛА задают на расстоянии от цели, равном расстоянию первой точки маневра БПЛА от начала условной системы координат. Обеспечивается повышение точности наведения БПЛА. 3 ил., 2 табл.

Способ включения заблаговременно сформированного маневра в полётное задание беспилотного планирующего летательного аппарата (БПЛА) состоит в том, что условные координаты опорных точек маневра преобразуют в систему прямоугольных геоцентрических координат с использованием геодезических координат цели и последней опорной точки маршевого участка траектории БПЛА; полученные координаты опорных точек маневра включают в состав данных полётного задания БПЛА, отличающийся тем, что к заданной совокупности опорных точек любого маневра в условной системе координат заблаговременно добавляют еще одну опорную точку в вертикальной координатной плоскости на удалении от точки, считавшейся первой, достаточном для разворота БПЛА с максимальной скоростью в направлении на вторую опорную точку маневра; последнюю опорную точку маршевого участка траектории БПЛА задают на расстоянии от цели, равном расстоянию первой точки маневра БПЛА от начала условной системы координат.