СПОСОБ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ ОБ ОПАСНОСТИ СТОЛКНОВЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ВОЗДУШНЫМ ОБЪЕКТОМ Российский патент 2024 года по МПК G08G5/04 B64D45/00 G01S17/933 

Изобретение относится к области предупреждения об опасности столкновения в воздухе летательного аппарата с воздушным объектом на основе прогноза траекторий их движения.

Известен способ предупреждения столкновения самолетов в воздухе TCAS для уменьшения риска столкновения воздушных судов [Бортовое радиоэлектронное оборудование: навигационные системы и комплексы. Под ред. академика РАН Е.А. Федосова. М.: ГосНИИАС, 2014. 140 с. С. 7-8. Так как же работает TCAS. Часть 1. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://picabu.ru>Airbus>. (дата обращения 12.04.2023). Система предупреждения столкновения самолетов в воздухе. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://teletype.in>@aviationlife/rk9LGVTAm>. (дата обращения 12.04.2023)]. Способ основан на обозрении пространства вокруг воздушного судна, обнаружении других воздушных судов и в, случае возникновения риска столкновения, предупреждении об этом пилотов.

Недостатком данного способа является то, что система, реализующая способ, очень сложная. Кроме того, системой должны быть оснащены все самолеты, так как воздушные суда обнаруживают друг друга по запросу/ответу через транспондеры. Поэтому данный способ реализован в настоящее время на воздушных судах гражданской авиации.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) является способ предупреждения столкновения летательного аппарата с объектом, основанный на том, что с борта летательного аппарата облучают сектор пространства в передней полусфере одним или несколькими сканирующими лучами, принимают отраженный от воздушного объекта сигнал и определяют по направлению прихода отраженного излучения угловое положение объекта относительно летательного аппарата (угол визирования), а по времени распространения излучения до воздушного объекта и обратно - дальность до объекта [Лазерная система активного видения, разведки и целеуказания «Лидар-М» (ТЛС2503) Паспорт АСЦП.468456.001П. ЗАО «ЛЗОС Астрон». Борейшо В.А., Клочков Д.В., Коняев М.А., Никулин Е.Н. Военные применения лазеров: учеб. пособие. Балт. гос. тех. ун-т. СПб, 2015. 103 с.].

Недостатком данного способа является высокая степень опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом в случае, если они сближаются, так как отсутствует прогнозирование траектории движения воздушного объекта, дальности между летательным аппаратом и воздушным объектом в момент начала их расхождения, а также времени полета до момента начала опасного сближения.

Техническим результатом предлагаемого способа является предупреждение об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом в случае, если они сближаются, за счет прогнозирования траектории движения воздушного объекта, дальности между летательным аппаратом и воздушным объектом в момент начала их расхождения, а также оставшегося времени полета до момента начала опасного сближения.

Технический результат достигается тем, что в отличие от известного способа предупреждения об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом, основанного на облучении с борта летательного аппарата заданного сектора пространства в передней полусфере, приеме отраженного от воздушного объекта излучения, измерении угла визирования объекта γ₀ и дальности D₀ до него относительно летательного аппарата,

согласно изобретению

продолжают прямолинейный полет летательного аппарата и через заданное время осуществляют повторное измерение угла визирования воздушного объекта γ₁ и дальности до него D₁,

если D₁>D₀, то сближение с объектом отсутствует и столкновение с ним маловероятно,

если D₁<D₀, то дополнительно измеряют собственную скорость летательного аппарата V_ЛА, производят расчет угла визирования ψ_{0 летательного аппарата относительно воздушного объекта и скорости воздушного объекта VВО по формулам}

определяют степень опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом при условии, что они движутся прямолинейно и с постоянной скоростью, для этого рассчитывают минимальную дальность между летательным аппаратом и воздушным объектом D_min в момент начала их расхождения после максимального сближения по формуле

где α=π-γ₀-ψ₀, сравнивают дальность D_min с минимально допустимой дистанцией безопасного сближения летательного аппарата с воздушным объектом D_Б, если D_min≤D_Б, то сближение является опасным, после чего рассчитывают оставшееся время до момента достижения дальности D_Б

где A=V_ЛА²+V_ВО²-2V_ЛАV_BOcos(α), В=D₀ (V_ЛАcos(γ₀)+V_ВОcos(ψ₀)), С=D₀²-D_Б²,

предупреждают экипаж об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом через время и предлагают выполнить отворот летательного аппарата в сторону от воздушного объекта до истечения этого времени.

Сущность изобретения заключается в том, что дополнительно, кроме измерения с летательного аппарата (ЛА) дальности до воздушного объекта (ВО) и направления на него, через промежуток времени проводят повторное измерение дальности до ВО и направления на него. Если дальность между ЛА и ВО уменьшается, то есть опасность их столкновения. Для оценки этой опасности прогнозируют траектории движения ЛА и ВО и дальность между ними в тот момент, когда после сближения они начнут расходиться. Если прогнозируемая минимальная дальность между ЛА и ВО в момент начала расхождения меньше или равна допустимой дистанции безопасного сближения, то опасность столкновения очень велика. Информация об опасности столкновения ЛА с ВО экипажу ЛА предоставляется в виде прогноза времени до момента достижения между ЛА и ВО допустимой дистанции безопасного сближения и направления отворота ЛА для предупреждения столкновения с ВО.

На фигуре 1 представлено взаимное расположение летательного аппарата и воздушного объекта и траектории их движения на плоскости, где обозначены: 0₁, 0₂ - точки расположения летательного аппарата (ЛА) и воздушного объекта (ВО) при первоначальном измерении с ЛА дальности до объекта D₀, γ₀, ψ₀ - углы визирования ВО и ЛА относительно друг друга, соответственно; 1₁, 1₂ - точки расположения ЛА и ВО и их углы визирования γ₁, ψ₁ при повторном измерении с ЛА дальности D₁; K₁, K₂ - точки расположения ЛА и ВО и их углы визирования γ_b, ψ_b для случая, когда расстояние между ЛА и ВО равно минимальной дистанции безопасного сближения D_Б; L, α - точка и угол пересечения траекторий движения ЛА и ВО; М₁, М₂ - точки расположения ЛА и ВО в момент, когда дальность между ними минимальна и равна D_min (момент начала расхождения, после которого дальность между ЛА и ВО начнет увеличиваться); i₁, i₂, D_i - точки расположения ЛА и ВО и дальность между ними в t_i-ый момент времени; 0*₁, 0*₂ - проекции точек 1₁, 1₂ на отрезок (0₁0₂); h₁, h₂ - высоты четырехугольника (0₁ 0₂ 1₂ 1₁) к его основанию (0₁0₂); ΔD₁ - расстояние между h₁ и h₂.

Из четырехугольника (0₁ 0₂ 1₂ 1₁), зная значения дальностей D₀, D₁ и углов γ₀, γ₁, можно определить угол визирования летательного аппарата относительно воздушного объекта ψ₀ и скорость воздушного объекта V_BO. Так как длина |0₁ 1₁|=Δt⋅V_ЛА, то в соответствии с известной теоремой синусов высоты h₁=Δt⋅V_ЛА⋅sin(γ₀), h₂=h₁+D₁⋅sin(γ₀-γ₁), в соответствии с теоремой косинусов длина |0*₂0₂|=D₀-D₁⋅cos(γ₀-γ₁)-Δt⋅V_ЛА⋅cos(γ₀), а в соответствии с теоремой тангенсов tg(ψ₀)=h₂/|0*₂0₂|. Таким образом угол визирования ЛА относительно ВО рассчитывается по формуле

Аналогично, в соответствии с известной теоремой синусов, Δt⋅V_BOsin(ψ₀)=h₂ и скорость воздушного объекта

Из треугольника (i₁ L i₂) в соответствии с известными соотношениями сторон треугольника квадрат расстояния между ЛА и ВО в t_i-ый момент времени D_i²=|i₁ L|²+|i₂ L|²-2⋅|i₁ L|⋅|i₂ L|⋅cos(α) или

Для определения минимальной дальности между ЛА и ВО (момента начало расхождения, после которой дальность между ЛА и ВО начинает возрастать) находятся точки экстремума. Для этого берется производная по времени и полученная зависимость приравнивается нулю. Решение данного равенства относительно дальности позволяет найти минимальную дальность

Допустимая минимальная дистанция безопасного сближения задается исходя из размеров ЛА, например, в соответствии с Федеральными авиационными правилами полетов в воздушном пространстве Российской Федерации (ФАП-136), утвержденным постановлением Правительства РФ 11.03.2010 г. №138, при перемещении вертолета на малых высотах расстояние от концов лопастей несущего винта до воздушных судов должно быть не менее двух диаметров несущего винта, то есть порядка 50 м.

Время полета t_Б^* ЛА от точки 0₁ до K₁ определяется из треугольников 0₁ K₁ K₂), (0₁ K₁ 0₂), (0₂ K₁ K₂), (0₁ K₂ 0₂) и соответствующей им системы уравнений, построенной с использованием известных соотношений сторон треугольника,

Решив систему уравнений относительно времени t_Б^*, получим

где А=V_ЛА²+V_BО²-2V_ЛАV_BOcos(α), В=D₀(V_ЛAсоs(γ_о)-V_ВОcos(ψ₀)), С=D₀²-D_Б².

Соответственно время, оставшееся до момента достижения минимальной дистанции безопасного сближения D_Б, равно

Отворот ЛА должен выполняться в сторону от ВО таким образом, чтобы обеспечивалось выполнение неравенства γ_j≥π-ψ_j.

Способ может быть реализован с использованием известных устройств:

измерение дальности до воздушного объекта и направления на него относительно борта летательного аппарата - лидаром [Лазерная система активного видения, разведки и целеуказания «Лидар-М» (ТЛС2503) Паспорт АСЦП.468456.001П. ЗАО «ЛЗОС Астрон». Борейшо В.А., Клочков Д.В., Коняев М.А., Никулин Е.Н. Военные применения лазеров: учеб. пособие. Балт.гос.тех. ун-т.СПб, 2015. 103 с. ];

соответствующие вычисления, запоминания сигналов и формирования сигналов предупреждения - микроконтроллером типа PIC16F62X или бортовой вычислительной машиной летательного аппарата;

предупреждение экипажа например, индикацией в виде загорающейся красной лампочки и голосового сообщения оставшегося времени до столкновения и направлении отворота летательного аппарата.

Реализация способа может быть осуществлена по алгоритму:

1) С помощью лидара в точке 0₁ измеряют дальность до ВО и его угол визирования γ₀, данные заносят в оперативную память микроконтроллера.

2) Продолжают прямолинейный полет ЛА с постоянной скоростью.

3) Через промежуток времени Δt с ЛА осуществляют повторное измерение угла визирования γ₁ и дальности D₁ до ВО. Зная собственную скорость ЛА с помощью микроконтроллера производят расчет начального угла визирования ЛА ψ₀ относительно ВО и скорости ВО V_BО по формулам

(1), (2) и определяют потенциальную опасность столкновения, то есть выполнение условия D₁<D₀. Если D₁>D₀, то сближение с объектом отсутствует и столкновение маловероятно. Если D₁<D₀ - рассчитывают минимально достижимую дальность D_min между ЛА и ВО в момент начала их расхождения по формуле (3). Если D_min меньше минимально допустимой дистанции безопасного сближения ЛА и ВО D_Б, то сближение опасно, и дополнительно по формуле (5) рассчитывают оставшееся время t_Б до момента достижения дальности D_Б между ЛА и ВО.

4) С выхода микроконтроллера выдаются данные об опасности столкновения с ВО, оставшееся время до опасного сближения и направление отворота ЛА от ВО. Сигнал об опасности может подаваться в виде электрического питания красной лампочки оповещения, а оставшееся время до столкновения и направления отворота летательного аппарата - на речевой информатор экипажа ЛА.

Этим достигается указанный в изобретении технический результат - предупреждение экипажа об опасности столкновения ЛА с ВО через оставшееся время t_Б и рекомендации по направлению отворота летательного аппарата от воздушного объекта для предотвращения столкновения.

Таким образом, заявленный способ позволяет предупредить экипаж об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом в случае, если они сближаются, за счет прогнозирования траектории движения воздушного объекта, дальности между летательным аппаратом и воздушным объектом в момент начала их расхождения, а также оставшегося времени полета до момента возможного столкновения.

Изобретение относится к способу предупреждения об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом. Для реализации способа облучают с борта летательного аппарата заданного сектора пространства в передней полусфере, осуществляют прием отраженного от воздушного объекта излучения, определяют направление на объект и дальность до него относительно летательного аппарата, продолжают прямолинейный полет летательного аппарата и через заданное время осуществляют повторное измерение угла визирования воздушного объекта и дальности до него. Если значение повторно измеренной дальности превышает предыдущее, то дополнительно измеряют собственную скорость летательного аппарата, производят расчет угла визирования летательного аппарата относительно воздушного объекта и скорости воздушного объекта, определяют степень опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом путем расчета допустимой дистанции безопасного сближения и времени до его достижения, предупреждают экипаж об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом и предлагают выполнить отворот летательного аппарата в сторону от воздушного объекта до истечения этого времени. Обеспечивается повышение безопасности полета летательного аппарата. 1 ил.

Способ предупреждения об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом, основанный на облучении с борта летательного аппарата заданного сектора пространства в передней полусфере, приеме отраженного от воздушного объекта излучения, определении направления на объект γ₀ и дальности D₀ до него относительно летательного аппарата, отличающийся тем, что продолжают прямолинейный полет летательного аппарата и через заданное время Δt осуществляют повторное измерение угла визирования воздушного объекта γ₁ и дальности до него D₁, если D₁>D₀, то сближение с объектом отсутствует и столкновение с ним маловероятно, а если D₁<D₀, то дополнительно измеряют собственную скорость летательного аппарата V_ЛА, производят расчет угла визирования ψ₀ летательного аппарата относительно воздушного объекта и скорости воздушного объекта V_ВО по формулам

определяют степень опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом при условии, что они движутся прямолинейно и с постоянной скоростью, для этого рассчитывают минимальную дальность между летательным аппаратом и воздушным объектом D_min в момент начала их расхождения после сближения по формуле

где α=π-γ₀-ψ₀, сравнивают дальность D_min с минимально допустимой дистанцией безопасного сближения летательного аппарата с воздушным объектом D_Б, если D_min≤D_Б, то сближение является опасным, после чего рассчитывают оставшееся время до момента достижения дальности D_Б

где A=V_ЛА²+V_BО²-2V_ЛАV_ВОсоs(α), В=D₀(V_ЛAcos(γ₀)+V_BOcos(ψ₀)), С=D₀²-D_Б², предупреждают экипаж об опасности столкновения летательного аппарата с воздушным объектом через время и предлагают выполнить отворот летательного аппарата в сторону от воздушного объекта до истечения этого времени.