УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕДУПРЕЖДЕНИЯ СТОЛКНОВЕНИЯ ВЕРТОЛЕТА С ВЫСОКОВОЛЬТНЫМИ ЛИНИЯМИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ

Устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач
Полезная модель относится к пилотажно-навигационной технике и может быть использована для обеспечения безопасности полета вертолетов на малых высотах, а именно для предупреждения пилотов вертолетов об опасности столкновений с высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП).
Известно устройство и способ предупреждения столкновений вертолета с высоковольтными линиями электропередач (ЛЭП), заключающийся в приеме всенаправленной антенной широкополосных сигналов, излучаемых проводами ЛЭП, выделении низкочастотных составляющих принятых сигналов, селекции по амплитуде выделенных низкочастотных составляющих принятых сигналов и, в случае превышения уровня порогового значения Uo, осуществлении анализа частоты принятого сигнала за счет последовательной перестройки частоты фильтра в диапазоне значений i=l, 2,... n, где , ΔF - низкочастотная часть ширины спектра, Δf - полоса пропускания фильтра, осуществлении повторной селекции сигнала по амплитуде, сравнении полученных значений спектра с заданными значениями и, в случае соответствия спектров, выдачи сигнала о наличии линии ЛЭП (Патент на изобретение РФ №2176400, МПК G01S 13/93, опубликован 27.11.2001 г. ).
Недостатком данного способа является невозможность определения углового положения линии электропередач в вертикальной плоскости, отсутствие данной информации может привести к столкновению вертолета с линией электропередач.
Известно устройство и способ предотвращения столкновений вертолета с высоковольтными линиями электропередач заключающийся в том, что с помощью приемного устройства, размещаемого на вертолете, принимают электромагнитные колебания, излучаемые высоковольтными линиями электропередач в диапазоне радиоволн, сравнивают значения принятых сигналов с опорными и по результатам сравнения принимают решение по корректировке направления полета вертолета, при этом прием электромагнитных колебаний ведут с различных направлений с помощью нескольких приемных антенн, максимумы диаграмм направленности которых ориентированы в разных угловых секторах плоскости полета вертолета, и по наличию сигнала в одной из приемных антенн определяют угловое положение проводов высоковольтной линии электропередачи относительно корпуса вертолета (Патент на изобретение РФ №2156985, МПК G01S 13/93, G08G 5/04, опубликован 30.10.1998 г.).
Недостатком данного способа является невозможность определения углового положения линии электропередач в вертикальной плоскости, отсутствие данной информации может привести к столкновению вертолета с линией электропередач.
Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередачи по патенту авторов РФ №136193 «Устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередачи», опубликовано 27.12.2013 г., бюл. №36.
Недостатком устройства по данному способу является невысокая чувствительность устройства, сложность выделения слабого полезного сигнала от магнитного поля ЛЭП на большом расстоянии от линии и, как следствие, малая дальность обнаружения ЛЭП и малое время, оставляемое летчику для принятия решения и выполнения маневра уклонения.
Задача настоящей полезной модели заключается в повышении чувствительности устройства и, как следствие, увеличения дальности и точности определения нахождения линий электропередач без привлечения дополнительной информации со вспомогательных радиоизлучающих устройств датчиками первичной информации, входящими в состав пилотажно-навигационного комплекса вертолета.
Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач, которое включает в себя блок трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе вертолета магнитометров для измерения продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля вертолета на оси связанной с летательным аппаратом системы координат, гироскоп направления для определения гироскопического курса летательного аппарата, гировертикаль для определения углов крена и тангажа летательного аппарата, первый вычислитель для определения в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта коэффициентов Пуассона и компонент постоянного магнитного поля летательного аппарата, причем выходы блока магнитометров (по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата), гироскопа направления (по углу гироскопического курса летательного аппарата) и гировертикали соединены с входом первого вычислителя, второй вычислитель (для определения текущего значения собственного магнитного поля вертолета), третий вычислитель (для определения текущего значения горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля), блок сравнения и сумматор,
причем выходы блока магнитометров (по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата) дополнительно соединены с входом второго вычислителя и первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом третьего вычислителя, выход первого вычислителя соединен с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, причем первый вычислитель задействован только в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта, выходы гировертикали (по углам крена и тангажа летательного аппарата) соединены с входами второго вычислителя и третьего вычислителя, выходы гироскопа направления (по углу гироскопического курса летательного аппарата) и второго вычислителя соединены с входом сумматора, выход которого соединен с входом блока сравнения, выходы третьего вычислителя (по текущим значениям горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля) соединены с входами блока сравнения, (в котором осуществляется сравнение оцениваемых / вероятностных значений горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля с реально определенными на борту вертолета значениями горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля), а выход блока сравнения, представляющий собой сигнал об опасной близости линии электропередач, подается в пилотажно-навигационный комплекс как световой и/(или) акустический сигнал, свидетельствующий об опасной близости по курсу линии электропередач, на основе которого пилот принимает решение об облете препятствия, что для повышении чувствительности устройства и, как следствие, увеличения дальности и точности определения нахождения линий электропередач без привлечения дополнительной информации со вспомогательных радиоизлучающих, устройств датчиками первичной информации, входящими в состав пилотажно-навигационного комплекса вертолета введены блок трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе вертолета датчиков напряженности электрического поля для измерения продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности электрического поля Земли на оси связанной с летательным аппаратом системы координат, второй фильтр нижних частот, четвертый вычислитель для определения текущего модуля вектора электрического поля Земли, блок значений величин напряженности электрического поля Земли и блок логики, управляющий первым и вторым переключателями, причем выход блока трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе вертолета датчиков напряженности электрического поля для измерения продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности электрического поля Земли на оси связанной с летательным аппаратом системы координат соединен с входом второго фильтра нижних частот, выход которого соединен с входом четвертого вычислителя, выход которого соединен с входом блока значений величин напряженности электрического поля Земли, выход которого соединен с входом блока логики и вторым переключателем, первый и второй переключатели, выход блока сравнения соединен с первым переключателем и с входом блока логики, а выход блока логики, представляющий собой сигнал об опасной близости линии электропередач, подается в пилотажно-навигационный комплекс как световой и/(или) акустический сигнал, свидетельствующий об опасной близости по курсу линии электропередач, на основе которого пилот принимает решение об облете препятствия.
Схема предлагаемого устройства изображена на рисунке.
х
z
у
Γ
x
z
у
г0
в0
n
п
Устройство включает в себя блок из трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе объекта магнитометров (1) для измерения продольной (Т), поперечной (T) и нормальной (Т) составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта на оси связанной с летательным аппаратом (ЛА) системы координат ΟΧΥΖ, гироскоп (2) для определения направления гироскопического курса (φ) подвижного объекта, гировертикаль (3) для определения углов крена (γ) и тангажа (υ) подвижного объекта, выполненные, например, по МЕМС-технологии, второй вычислитель (5), третий вычислитель (7), первый фильтр нижних частот (6), блок сравнения (8) и сумматор (9), блок трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе вертолета датчиков напряженности электрического поля (10) для измерения продольной (Ε), поперечной (E) и нормальной (Е) составляющих вектора напряженности электрического поля Земли на оси связанной с летательным аппаратом системы координат, второй фильтр нижних частот (11), четвертый вычислитель (12) для определения текущего модуля вектора электрического поля Земли, блок значений величин напряженности электрического поля Земли (13) и блок логики (14), управляющий первым (15) и вторым (16) переключателями, причем выход блока трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе вертолета датчиков напряженности электрического поля (10) для измерения продольной, поперечной и нормальной составляющих вектора напряженности электрического поля Земли на оси связанной с летательным аппаратом системы координат соединен с входом второго фильтра нижних частот (11), выход которого соединен с входом четвертого вычислителя (12), выход которого соединен с входом блока значений величин напряженности электрического поля Земли (13), выход которого, представляющий собой второй предупредительный сигнал об опасной близости линии электропередач, соединен с входом блока логики (14) и через второй переключатель (16) поступает на приборную панель для индикации (световой и звуковой) в пилотажно-навигационный комплекс, при этом выход блока сравнения (8) соединен с первым переключателем (15) и с входом блока логики (14), а выход блока логики (14), представляющий собой сигнал об опасной близости линии электропередач, поступает на приборную панель для индикации (световой и звуковой) летчику для принятия решения; при этом первый вычислитель (4) используется для определения в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта коэффициентов Пуассона и компонент постоянного магнитного поля подвижного объекта, причем выходы блока 1, блока 2 и блока 3 соединены с входом первого вычислителя (4), на вход первого вычислителя, кроме того, подаются, например, с потенциометра ручной выставки, стартовые значения горизонтальной (T) и вертикальной (Т) составляющих векторам напряженности геомагнитного поля и угла магнитного наклонения (Θ), измеренные, например, с помощью дефлектора и инклинатора; причем выход блока (1) дополнительно соединен с входом второго вычислителя (5) и первого фильтра нижних частот (6), выход блока (4) соединен с входами второго вычислителя (5) и третьего вычислителя (7), причем первый вычислитель (4) задействован, только в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта, выходы блока (3) соединены с входами второго вычислителя (5) и третьего вычислителя (7), выходы блока (2) и второго вычислителя (5) соединены с входом сумматора (9), выход которого соединен с входом блока сравнения (8), выходы первого фильтра нижних частот (6) соединены с входами третьего вычислителя (7), выходы которого соединены с входами блока сравнения (8), на входы которого с пилотажно-навигационного комплекса (ПНК) поступают данные о времени полета (t) и скорости полета (V) летательного аппарата, выходы блока магнитометров (1) (по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата) дополнительно соединены с входом первого фильтра нижних частот (6), а выход которого (по продольной, поперечной и нормальной составляющим вектора напряженности результирующего магнитного поля летательного аппарата) соединен с входом третьего вычислителя (7) (для определения текущего значения горизонтальной и вертикальной компонент вектора напряженности геомагнитного поля, а выход блока (8), представляющий собой первый предупредительный сигнал об опасной близости линии электропередач, поступает через первый переключатель (15) на приборную панель для индикации (световой и звуковой) в пилотажно-навигационный комплекс и на вход блока логики (14). Также может быть предусмотрена возможность автоматического набора высоты - маневра в вертикальной плоскости.
Приведем теоретическое обоснование, позволяющее реализовать предлагаемое устройство.
Из теории и практики магнитных измерений известно, что магнитные девиации магниточувствительных датчиков обусловлены наличием собственного магнитного поля носителя, на котором они установлены, а геометрические девиации обусловлены изменением ориентации подвижного объекта относительно геомагнитного поля. Причем структура собственного магнитного поля объекта такова, что оно содержит постоянную и переменную составляющие. Постоянное магнитное поле носителя определяется наличием на подвижном объекте элементов из магнитомягких и магнитотвердых материалов, характеризуемые магнитной восприимчивостью к внешнему магнитному полю (намагничиваемостью в технологических и эксплуатационных условиях).
п
пер
вх
н
э
дв
Эта составляющая напряженности магнитного поля носителя (δТ=colon (Р, Q, R) фиксирована относительно корпуса основания при изменении ориентации объекта. Переменное магнитное поле носителя δТ складывается из четырех составляющих: магнитного поля вихревых токов δΤ; индуктивного поля магнитных масс δΤ; магнитного поля электронагрузок δΤ; магнитного поля двигателей 6Т.
Напряженность результирующего магнитного поля носителя определяется векторной суммой составляющих:
где: Τ напряженность геомагнитного поля.
Превалирующую роль в формировании магнитного поля носителя обычно играют три первые составляющие (причемобразуют в сумме магнитные помехи от ферромагнитных масс) и определяемые в проекциях на связанные оси объекта ΟΧΥΖ векторно-магнитным уравнением Пуассона:
где: S - матрица коэффициентов Пуассона:
А - матрица ориентации системы координат, связанной с объектом OXYZ, относительно горизонтальной геомагнитной системы координат.
Переменную и постоянную составляющие собственного магнитного поля подвижного поискового аппарата, определяемые соответственно коэффициентами Пуассона и компонентами постоянного магнитного поля подвижного аппарата, находим следующим образом.
i
i
i
xi
zi
y
Предположим, что имеется не менее четырех результатов экспериментов, проведенных при четырех различных курсах φ объекта, на каждом из которых при соответствующих значениях углов тангажа υ и крена γ (указанные измерения возможно проводить также сразу после взлета объекта на вираже в процессе набора им высоты), измеряют продольную T, поперечную T и нормальную Ti компоненты результирующего магнитного поля объекта; формирует три разностных уравнения Пуассона (2), которые запишутся в матричном виде следующим образом:
Разностные уравнения (4) должны удовлетворять непременному условию
(i≠j) и каждый результат эксперимента (i или j) не должен повторяться в системе более чем два раза.
Системе трех уравнений вида (4) соответствует система девяти скалярных разностных уравнений Пуассона следующего вида:
i
j
i
j
i
j
г
в
где: a, a, b, b, c, c - функции, определяемые зависимостями от составляющих Т, Т вектора Τ и углов ориентации подвижного объекта
i
i
i
j
j
j
(φ; υ; γ; φ; υ; γ): при
j
j
j
Выражения для a, b, c имеют аналогичный вид.
Систему девяти скалярных уравнений вида 5 можно привести к матричной форме
Ν - квадратная матрица размером (9x9) с элементами:
Причем:
Матрица N для системы девяти уравнений вида (5), соответствующая варианту троек экспериментов типа  имеет следующий вид:
Матрица N является неособенной, так как не содержит линейно зависимые строки и столбцы. Для нахождения обратной матрицы Ν-1 детерминант матрицы N может быть определен по стандартной программе, например, приведением матрицы к форме Фробениуса (диагонализация матрицы) с последующим определением произведения элементов главной диагонали; окончательно детерминант матрицы N имеет вид:
-
Решая далее уравнение (7) относительно Υ, получим
Раскрывая решение (11), используя формулы Крамера, находим следующие выражения для определения коэффициентов Пуассона и с оставляющих вектора постоянного магнитного поля носителя:
где: - вспомогательные функции, зависящие от углов ориентации
i
i
i
носителя (φ; υ γ) и угла магнитного и наклонения Θ:
где:
После определения коэффициентов Пуассона составляющие вектора постоянного магнитного поля носителя определяются следующим образом; запишем матричное уравнение Пуассона (2) в виде:
Отсюда в скалярной форме алгоритмы определения составляющих вектора постоянного магнитного поля носителя принимают вид:
i
i
i
где: функции: a, b, c определяются выражениями (6).
-
Напряженность магнитных помех от ферромагнитных масс объекта может превышать по модулю вектора Τ напряженности геомагнитного поля. При этом магнитные девиации магниточувствительных датчиков курсовых систем могут достигать нескольких десятков градусов.
Преобразуем матричное уравнение Пуассона (2) к следующему виду:
X
Y
Z
-
где: T, Τ, T - проекции вектора Τ результирующего магнитного поля объекта на его оси ΟΧ, ΟΥ, ΟΖ;
Е - единичная матрица размером (3×3);
г
В
-
Т, Т - горизонтальная и вертикальная составляющие вектора Τ напряженности геомагнитного поля;
-
Θ -угол магнитного наклонения вектора Τ напряженности геомагнитного поля;
- матрица направляющих косинусов, где:
Из теории и практики измерения магнитных девиаций известно, что коэффициенты Пуассона (a, b, k) и составляющие постоянного магнитного поля объекта  можно считать постоянными величинами для конкретного фиксированного распределения ферромагнитных масс объекта.
Матричное уравнение (17) приведем к скалярному виду:
Введем следующие обозначения:
элементы матрицы М:
Систему уравнений (18) сведем к матричному виду:
где: М - квадратная матрица размером (3×3);
x
x
y
y
z
z
S=T-Р; S=Τ-Q; S=T-R.
Решая уравнение (23), получим
-1
где: М - обратная матрица;
По формулам Крамера:
очевидно, что
Введем вспомогательные функции:
Г
В
-
В итоге соотношения для нахождения горизонтальной Т и вертикальной Т составляющих вектора Τ напряженности геомагнитного поля запишутся в следующем виде:
Соотношение для нахождения магнитного курса запишется в следующем виде:
где:
x
z
у
г
м
г
в
-
Устройство функционирует следующим образом - по сигналам блока из трех ортогональных жестко закрепленных на корпусе объекта магнитометров (1) для измерения продольной (T), поперечной (T) и нормальной (Т) составляющих вектора напряженности результирующего магнитного поля объекта на оси связанной с летательным аппаратом (ЛА) системы координат ΟΧΥΖ, гироскопа (2) направления гироскопического курса (φ) подвижного объекта, гировертикали (3) для определения углов крена (γ) и тангажа (υ) подвижного объекта, выполненных, например, по МЕМС-технологии, первый вычислитель (4) определяет в процессе предстартовой подготовки, либо сразу после старта во время набора высоты на вираже, коэффициенты Пуассона и компоненты постоянного магнитного поля подвижного объекта по соотношениям (6, 12, 16), характеризующие собственное магнитное поле подвижного объекта. В процессе полета объекта 2 вычислитель (5) по соотношениям (32-34) определяет текущее значение магнитного курса подвижного объекта φ; третий вычислитель (7) по соотношениям (28-31) определяет текущие значения горизонтальной Т и вертикальной Т компонент вектора Τ напряженности геомагнитного поля.
х
y
z
x
z
y
При этом отметим, что во время маловысотного полета значения компонент Т, Τ, Τ - проекций вектора результирующего магнитного поля, а также значения проекций вектора напряженности электрического поля Земли по его продольной (E), поперечной (Ε) и нормальной (E) составляющим на оси связанной с летательным аппаратом системы координат ΟΧ, ΟΥ, ΟΖ при приближении к высоковольтным линиям электропередач получают дополнительные составляющие, изменяющиеся с промышленной частотой f=50 Hz, для выделения и учета которых используются соответственно первый (6) и второй (11) фильтры нижних частот.
Проведенные авторами экспериментальные исследования по замерам напряженностей создаваемых магнитных полей реальными ЛЭП и уточнение на их основе математических моделей для расчета магнитных полей реальных ЛЭП [Скрипкин А.А., Аврясова О.С., Емельянов С.Д. Магнитное поле высоковольтной воздушной линии электропередач на большом расстоянии от линии. // Техническая электродинамика и электроника: Сб. научн. тр. - Саратов, СГТУ, 2013. - с. 32-36; Скрипкин А.А., Сивяков Б.К., Аврясова О.С.Анализ возможности обнаружения воздушных высоковольтных линий электропередач по создаваемому магнитному полю. Сб. научн. тр. - Саратов, СГТУ, 2013. - с. 41-45] показало, что значения параметров магнитного поля, полученные по разработанным авторами теоретическим соотношениям на расстояниях более 100 (м) от ЛЭП дают практически точный результат, который совпадает с результатами проведенных экспериментальных замеров.
При этом полученные результаты - в частности, на расстоянии 600 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 2…14 нТл; на расстоянии 300 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 5…56 нТл.
г
м
к
В сумматоре 9 происходит стандартная для курсовой гиромагнитной системы процедура осреднения гироскопического курса (φ) и магнитного курса (φ) подвижного объекта [Шивринский В.Н. Навигационные системы летательных аппаратов. Ульяновск, УлГТУ, 2012 г., 148 с], в результате который с выхода сумматора (10) снимается полностью скорректированный сигнал курса подвижного объекту (φ), поступающий затем в блок (8) устройства и в ПНК ЛА.
-
-
Г
В
В блоке сравнения 8 при полете подвижного объекта постоянно производится сравнение оцениваемых/вероятностных значений горизонтальной и вертикальной  компонент вектора Τ напряженности геомагнитного поля с реально определенными на борту подвижного объекта значениями горизонтальной Т и вертикальной Т компонент вектора Τ напряженности геомагнитного поля.
Г
в
В
г
г
в
-
-
Логические соотношения в блоке сравнения 8 основаны на следующих теоретических положениях: исходя из структуры магнитного поля Земли в первом приближении в районе магнитного экватора можно считать Т=Т≈55000 нТл, Т=0, угол магнитного наклонения Θ=0°; при движении по меридиану примерно через 10000 км в районе магнитного полюса Т=Т≈55000 нТл, Т=0, угол магнитного наклонения Θ=90°; поэтому для определения в первом приближении оцениваемых/вероятностных значений горизонтальной  и вертикальной  компонент вектора Τ напряженности геомагнитного поля с реально определенными на борту подвижного объекта значениями горизонтальной Т и вертикальной Т компонент вектора Τ напряженности геомагнитного поля воспользуемся следующими соотношениями:
п
n
где: V и t - скорость полета и время полета вертолета; при полете при
г
в
где исходя из реальных значений величин магнитных полей, создаваемых ЛЭП, δ≈δ≈3…5 нТл, в блоке сравнения 8 формируется и подается при замкнутом переключателе 1 (15) в пилотажно-навигационный комплекс световой и/(или) акустический предупредительный сигнал 1, свидетельствующий об опасной близости по курсу ЛЭП, а также сигнал в блок логики (14).
Проведенное авторами математическое моделирование и расчеты подтверждают принципиальную возможность обнаружения линий ЛЭП в режиме маловысотного полета по ее магнитному и электрическому полям.
п
При моделировании рассматривались широко распространенные промежуточная одноцепная свободностоящая опора типа П-110-3 при напряжении U=110 kV с проводом AC 120/19 и током I=390 А, а также опора типа У=220-1 при напряжении U=220 kV с проводом АС 300/66 и током I=690 А. Для моделирования использовались средства математического пакета MatLab. По результатам моделирования следует, что в частности, на расстоянии 600 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 2…14 нТл; на расстоянии 300 (м) от ЛЭП для ЛЭП с напряжением U=110…500 kV величины создаваемого магнитного поля составляют соответственно 5…56 нТл; что при средней скорости полета вертолета в режиме маловысотного полета V≈180 км/час (50 м/сек) оставляет пилотам в среднем от 6 до 12 (сек) для принятия решения и изменения высоты полета.
Также в работе авторов [Сивяков Д.Б. Электрическое поле высоковольтной воздушной линии на удалении от нее / Д.Б. Сивяков, О.С.Аврясова, // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2013. - с. 54-58] показано, что электрическое поле ЛЭП не зависит от горизонтальных координат подвеса проводов. В данном случае Земля играет экранирующую роль, поэтому, чем ближе к Земле точка наблюдения и высота проводов, тем меньше поле. При этом электрическое поле в отличие от магнитного поля убывает обратно пропорционально кубу расстояния до точки наблюдения. Характерной особенностью электрического поля ЛЭП, отличающей его от естественного поля (в большинстве мест на Земле присутствует вертикальное электрическое поля напряженностью до 100 В/м), является его строго фиксированная промышленная частота f=50 Гц и близкое к горизонтальному направление напряженности.
В таблице [Сивяков Д.Б. Электрическое поле высоковольтной воздушной линии на удалении от нее / Д.Б. Сивяков, О.С.Аврясова, // Техническая электродинамика и электроника: сб. науч. тр. - Саратов: СГТУ, 2013. - с. 54-58] приведены расчетные значения напряженности электрического поля на различном расстоянии от ЛЭП.
X
Z
Y
В четвертом вычислителе (12) по поступающим на его вход значениям проекций вектора напряженности электрического поля Земли по его продольной (E), поперечной (E) и нормальной (E) составляющим на оси связанной с летательным аппаратом системы координат ΟΧ, ΟΥ, OZ определяется текущее значение модуля вектора напряженности электрического поля Земли по соотношению:
i
В блоке значений величин напряженности электрического поля Земли (13) на основе введенных в него до полета массива значений величин напряженностей электрического поля (E) и расстояний до ЛЭП различного напряжения (например, на основе указанной таблицы), производится сравнение текущего значения модуля вектора напряженности электрического поля Земли с заранее определенным, исходя из условий полета, значением величины напряженности электрического поля и расстояния до ЛЭП различного напряжения по соотношению:
CT
е
где: E - стартовое значение модуля вектора напряженности электрического поля Земли; δ≈0,012 (В/м); при этом в блоке (13) формируется и с выхода которого подается при замкнутом переключателе 2 (16) в пилотажно-навигационный комплекс световой и/ (или) акустический предупредительный сигнал 2, свидетельствующий об опасной близости по курсу ЛЭП, а также сигнал в блок логики (14).
В случае поступления в блок логики (14) двух указанных предупредительных сигналов - предупредительного сигнала 1 с выхода блока сравнения (8) и предупредительного сигнала 2 с выхода блока (13), блок логики (14) с помощью переключателя 1 (15) и переключателя 2 (16) отключает поступающие в пилотажно-навигационный комплекс световые и/ (или) акустические первый и второй предупредительные сигналы и подает в пилотажно-навигационный комплекс световой и/(или) акустический сигнал, свидетельствующий об опасной близости по курсу ЛЭП, на основе которого пилот принимает решение об облете препятствия. При этом может быть предусмотрен и реализован автоматизированный маневр объекта для облета препятствия в виде ЛЭП.
Современные датчики электрического поля имеют высокую чувствительность (единицы mV/м), например, миниатюрные инновационные датчики, выполненные по MEMS-технологии, фирмы Plessey Semiconductors, UK - датчики электрического поля широкого назначения серии EPIC [официальный сайт фирмы с Plessey Semiconductors, UK http://www.plesseysemiconductors.com]. Поэтому электрическое поле ЛЭП может быть использовано в сочетании с ее магнитным для повышения надежности обнаружения воздушных высоковольтных линий электропередач. Предложенный и обоснованный способ обнаружения ЛЭП по ее магнитному и электрическому полям является пассивным методом в отличии от локационных, простым в реализации, достаточно легко встраиваемым в имеющееся на борту вертолета пилотажно-навигационное оборудование и поэтому не требует для реализации больших капитальных затрат.
Указанное ранее время - в среднем от 6 до 12 (сек) для принятия решения и изменения высоты полета - является вполне достаточным для совершения пилотом при получении сигнала об опасной близости с ЛЭП маневра в вертикальной плоскости (например, набор высоты и вираж).
В качестве трехкомпонентного магнитометра, который может быть установлен на летательном аппарате, может быть использован, например, высокочувствительный малогабаритный гетеромагнитный электронный модуль ЗД HM-3D, разработанный и выпускаемый на ОАО «Тантал» г. Саратов, [официальный сайт http://www.oao-tantal.ru], имеющий чувствительность в единицы 1…3 (нТл) и малые габаритные размеры.
В качестве гироскопических датчиков для определения курса и вертикали могут быть использованы малогабаритные высокоточные датчики, выполненные по МЕМС-технологии, например, блокам MEMS типа SFIM 300, SFIM210, SFIM202 и др. Fa. Sensonor Technologies, Norway [см. официальный сайт http://www.sensonor.com].
Технико-экономическое обоснование предлагаемого устройства заключается в повышении чувствительности устройства и, как следствие, увеличении дальности и точности определения нахождения линий электропередач без привлечения дополнительной информации со вспомогательных радиоизлучающих устройств датчиками первичной информации, входящими в состав пилотажно-навигационного комплекса вертолета.
Предложенные зависимости для определения во время полета магнитного курса объекта, горизонтальной и вертикальной составляющих геомагнитного поля могут быть реализованы вычислительным путем в бортовой ЦВМ.