СПОСОБ ЗАХОДА НА ПОСАДКУ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА В АВАРИЙНЫХ УСЛОВИЯХ
APPROACH METHOD OF UNMANNED AERIAL VEHICLE IN EMERGENCY CONDITIONS

Изобретение относится к области систем управления беспилотными летательными аппаратами самолетного типа (БЛА) и может быть использовано при решении задачи сохранения БЛА в аварийных (нештатных) ситуациях, при которых полет продолжать невозможно и необходима экстренная посадка.
Беспилотные летательные аппараты широко применяются при выполнении различного рода задач, связанных с мониторингом земной поверхности, природных зон или зон населенных пунктов и др. Полет в указанном режиме осуществляется, как правило, на постоянной высоте и на значительных расстояниях от точки взлета. Маршрут полета может задаваться заранее и заноситься в память бортовой вычислительной системы, либо корректироваться с пункта управления командами оператора по радиоканалу. При возникновении аварийной (нештатной) ситуации, в условиях нахождения БЛА от взлетно-посадочной полосы (ВПП) - места взлета - на значительных расстояниях, оператору в целях сохранения техники и функционального оборудования приходится принимать решение о посадке БЛА на неподготовленные площадки – лесные просеки, участки дорог, поляны и др. Для осуществления указанной посадки оператору необходимо передать на борт БЛА место посадки (координаты, размеры, ориентацию площадки и др.), а также информацию, каким образом до нее долететь до указанной площадки (команды управления курсом, высотой, либо требуемую траекторию полета и др.), при условии знания оператором местонахождения (координат) БЛА. Переданная информация на борт БЛА позволит не только сохранить сам аппарат и его бортовые системы, но и предотвратить угрозу для безопасности людей и населенных пунктов, вблизи которых он применяется.
Полет БЛА можно разделить на взлет, полет по маршруту и посадку.  Посадка состоит из этапов: предпосадочное маневрирование, заход на посадку и непосредственно приземление. При этом целью захода на посадку является вывод БЛА в заданную точку воздушного пространства, которая расположена на линии, совпадающей с продолжением оси взлетно-посадочной полосы (ВПП). Такую точку называют точкой начала снижения (ТНС), которая расположена на установленной высоте относительно торца ВПП [1]. Успешное завершение посадки во многом зависит от точности выхода БЛА как на линию, направленную вдоль продольной оси ВПП, так и в ТНС.
Стоит отметить, что применительно к рассматриваемым способам применения БЛА, а также учитывая небольшие высоты и скорости его полета, ТНС может быть расположена на торце площадки ВПП и смещена относительно её оси.
Известен способ управления летательным аппаратом (ЛА), реализующие вывод ЛА на линию, направленную вдоль продольной оси взлетно-посадочной полосы, при заходе на посадку [3]. Данный способ характеризуется тем, что самолет, заходящий на посадку, оборудован бортовым радиолокатором, который измеряет расстояние до уголкового отражателя или радиоответчика и курсовой угол на него. Зная собственное положение, курс ВПП и расстояние до отражателя (радиомаяка), на борту самолета формируются сигналы управления для выхода самолета на заданную линию. Недостатком описанного способа является то, что для его реализации требуется наличие дополнительного как бортового оборудования - радиолокатор, что усложняет конструкцию самолета, так и наземного оборудования - уголковый отражатель или радиомаяк, что отсутствует на неподготовленных посадочных площадках.
Известны способы захода на посадку (RU 2 559 196, RU 2 341 774, RU 2 273 590, RU 2 156 720, RU 2 242 800), для реализации которых так же требуется дополнительное радиотехническое оборудование как бортовое, так и наземное. Указанные способы не могут быть применимы к БЛА по причине невозможности размещения указанного дополнительного бортового оборудования на БЛА из-за его значительных массогабаритных характеристик, и полным отсутствием дополнительного наземного оборудования на неподготовленных площадках, выбранных оператором для посадки БЛА. При отсутствии дополнительного оборудования указанные способы не могут быть реализованы.
Наиболее близким аналогом к предлагаемому способу является изобретение RU 2 509 684, в котором описывается способ захода самолета на посадку в аварийных условиях (варианты), обеспечивающий возможность выполнения посадки самолетами при отказах их бортовых средств радиосвязи и автоматических радиокомпасов или выходе из строя штатного радиотехнического оборудования аэродромов (РЛС, ДПРМ) за счет использования для вывода в ТНС штатной станции предупреждения о радиолокационном облучении (СПО) самолета и двух непрерывно работающих на разнесенных частотах, перекрываемых частотным диапазоном СПО, источников радиоизлучения (ИРИ), размещаемых на позициях приводных радиомаяков (дальнего и ближнего) и предназначенных для определения на борту самолета; оснащенного СПО, направления продольной оси ВПП, а также специальных правил выполнения экипажем самолета маневров захода на посадку по информации, отображаемой на индикаторе СПО.
Недостатком такого способа так же является необходимость использования наземного оборудования – источников радиоизлучения, которые излучают сигналы для ориентирования самолета. Для приема указанных сигналов на каждом БЛА необходимо наличие дополнительного оборудования, что усложняет конструкцию управляемого объекта.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение возможности выполнения посадки беспилотными летательными аппаратами самолетного типа на неподготовленные площадки в аварийных (нештатных) ситуациях, при которых полет продолжать невозможно, за счет автоматизации процесса вывода БЛА в ТНС.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что при возникновении аварийной ситуации при выполнении полета БЛА оператор, находящийся на пункте управления, выбирает место для посадки БЛА, представляющее собой прямоугольный горизонтальный участок местности (участок шоссе, просеки, поляны и др.), который пригоден для посадки БЛА по самолетному, и передает на борт БЛА его параметры - координаты середины торца площадки, ближайшего к БЛА, ширину и длину площадки, ориентацию площадки. Далее в бортовой вычислительной системе БЛА указанные данные обрабатываются, строится требуемая траектория вывода БЛА в ТНС, которая записывается в систему автоматического управления (САУ). Затем осуществляется непосредственно управление БЛА путем сравнения текущей траектории полета (определяется штатными бортовыми средствами) с требуемой траекторией, записанной в САУ, и при их расхождении выработкой управляющего сигнала коррекции курса.
Возможность достижения технического результата обусловлена следующими причинами:
- отсутствие необходимости использования дополнительного бортового оборудования БЛА;
- инвариантностью к методу наведения, что позволяет не изменять систему управления и алгоритмы применяемых методов управления [3];
- универсальным (однотипным) способом описания всех площадок, пригодных для приземления, что дает возможность применять традиционные методы управления летательными аппаратами [4];
- существенным снижением нагрузки на оператора из-за отсутствия необходимости вручную строить требуемые траектории вывода БЛА в ТНС.
<mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow>
Для таких условий одним из возможных способов управления БЛА, обеспечивающий выход его в ТНС, является новый способ, полученный на основе математического аппарата метода обратных задач динамики [5], в котором траектория управляемого БЛА корректируется для выхода его в ТНС путем совмещения его вектора скорости с касательной, построенной к требуемой траектории. Вычисление требуемого приращения  угла курса (параметра рассогласования) управляемого БЛА производится по правилу:
<mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi><mo>=</mo><msub><mi>φ</mi><mi>Т</mi></msub><mo>−</mo><mi>φ</mi><mo>=</mo><mtext>arctg</mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mrow><msub><mi>υ</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mrow><msub><mi>υ</mi><mn>1</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>−</mo><mi>φ</mi><mo>,</mo></mrow>
(1)
<mrow><msub><mi>φ</mi><mi>Т</mi></msub></mrow>
<mi>φ</mi>
<mrow><msub><mi>υ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>υ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
где  - требуемый угол курса БЛА,  - текущий угол курса БЛА, переменные  и  - требуемые элементы вектора скорости БЛА, которые равны:
<mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mi>υ</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>π</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>1</mn><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mi>u</mi></msup><mi>cos</mi><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>υ</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>π</mi></mfrac><mo>⋅</mo><msup><mi>e</mi><mi>u</mi></msup><mi>sin</mi><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub><mo>.</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow>
(2)
<mi>h</mi>
Элементы вектора скорости БЛА вычисляются путем дифференцирования параметрических уравнений эквипотенциальных кривых, описывающих электростатическое поле конденсатора, у которого расстояние между пластинами равно  [6]:
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><mrow><mo>{</mo><mtable columnalign="left"><mtr><mtd><mi>x</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>π</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>u</mi><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mi>u</mi></msup><mi>cos</mi><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mi>y</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>h</mi><mi>π</mi></mfrac><mo>⋅</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><msup><mi>e</mi><mi>u</mi></msup><mi>sin</mi><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo></mtd></mtr></mtable></mrow></mrow></mtd><mtd><mrow><mo>−</mo><mi>∞</mi><mo><</mo><mi>u</mi><mo><</mo><mi>∞</mi></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow>
(3)
<mrow><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
где значение  определяет искомую эквипотенциальную линию.
Вычисления производятся в построенной прямоугольной системе координат OXY: система координат правая, центр координат находится в середине торца площадки, ближайшего к БЛА, ось ОХ направлена по оси площадки приземления. Все курсовые углы БЛА отсчитываются от положительного направления оси OY по часовой стрелке.
<mrow><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mi>u</mi>
<mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Требуемая траектория полета БЛА строится путем решения системы нелинейных уравнений (3) относительно значений  и  при подстановке в систему (3) координат  положения БЛА. Один из способов решения системы нелинейных уравнений описан в [7].
<mrow><msub><mi>ν</mi><mn>0</mn></msub></mrow>
<mi>u</mi>
Полученные значения  и  используются в (2) для вычисления требуемых элементов вектора скорости БЛА.
Корректировка угла курса БЛА начинается тогда, когда поступает команда оператора об осуществлении аварийной посадки.
Таким образом, для коррекции угла курса при заходе на посадку в горизонтальной плоскости описанным способом (1) - (3) на борту управляемого БЛА необходимо учитывать:
<mi>x</mi>
<mi>y</mi>
<mrow><msub><mstyle mathvariant="bold" mathsize="normal"><mi>V</mi></mstyle><mrow><mi>Л</mi><mi>А</mi></mrow></msub></mrow>
<mi>φ</mi>
1) параметры движения БЛА – координаты  и , значение скорости  и текущий угол курса ;
2) параметры места (площадки) для посадки – координаты середины торца площадки, ближайшего к БЛА, ширину и длину площадки, ориентацию площадки.
Величины, необходимые для реализации (1) - (3) и составляющие первую группу параметров, измеряются штатными средствами на борту каждого управляемого БЛА, а величины, составляющие вторую группу, определяются на пункте управления оператором и передаются на борт БЛА.
Коррекция угла курса управляемого БЛА прекращается, когда БЛА пролетит всю траекторию и выйдет в точку начала снижения, совпадающую с торцом площадки для приземления.
Спецификой описанного способа является то, что в качестве требуемых траекторий полета БЛА использованы линии эквипотенциальных кривых, которые описывают электростатическое поле конденсатора. Указанные линии, во-первых являются гладкими кривыми, что позволяет использовать их в качестве траекторий полета БЛА, во-вторых исходя из физических свойств конденсатора, все указанные линии проходят между его параллельными поверхностями, что позволяет БЛА, двигающимся по таким траекториям, оказываться на выбранной оператором площадке приземления вне зависимости от начального положения БЛА.
Заявленный технический результат обеспечивается предлагаемым способом (1) - (4) управления БЛА, а также использованием универсального (однотипного) способа описания площадок местности для совершения посадки, что дает возможность существенно уменьшить время построения траекторий полета БЛА оператором, тем самым снизив нагрузку на него.
<mi>x</mi>
<mi>y</mi>
<mrow><msub><mi>υ</mi><mn>1</mn></msub></mrow>
<mrow><msub><mi>υ</mi><mn>2</mn></msub></mrow>
<mi>φ</mi>
<mrow><mi>Δ</mi><mi>φ</mi></mrow>
Таким образом, указанный технический результат достигается тем, что на основе измеренных значений координат  и  БЛА, а также заданных оператором параметров прямоугольной площадки для приземления - координаты середины торца площадки, ближайшего к БЛА, ширину и длину площадки, ориентацию площадки, с использованием (3), вычисляются параметры нужной траектории полета (эквипотенциальной линии), затем с помощью (2) определяются значения переменных  и , на основании которых и измеренного значения текущего угла курса  с помощью (1) формируется сигнал требуемого приращения угла курса  для БЛА, позволяющий двигаться БЛА по требуемой траектории для осуществления посадки.
Важно отметить, что указанный способ траекторного управления беспилотным летательным аппаратом не зависит от размеров БЛА, его функционального предназначения и может быть использован для БЛА любой ведомственной принадлежности.
Литература
[1] Справочник летчика и штурмана. Под ред. засл. воен. штурмана СССР генерал-лейтенанта авиации М.В. Лавского. - М.: Воениздат, 1974 г, с. 390.
[2] Батенко А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов. М.: Советское радио, 1977 г., 256 с.
[3] Авиационные системы радиоуправления. Т. 3. Системы командного радиоуправления. Автономные и комбинированные системы наведения / В.И. Меркулов, А.И. Канащенков [и др.]. М.: Радиотехника, 2004. 317 с.
[4] Верба В.С.Авиационные комплексы радиолокационного дозора и наведения. Состояние и тенденции развития. М.: Радиотехника. 2008. 432 с.
[5] Крутько П.Д. Обратные задачи динамики в теории автоматического управления. М.: Машиностроение, 2004.
[6] Говорков В.А. Электрические и магнитные поля. М.: Энергия, 1968.
[7] Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008.