Устройство определения навигационной информации для автоматической посадки летательного аппарата на палубу корабля

Полезная модель относится к области авиационной техники, в частности к бортовому оборудованию, конкретно к средствам автоматической посадки летательных аппаратов (ЛА), которая обеспечивает посадку ЛА (пилотируемого и беспилотного) на палубу корабля в автоматическом режиме.
Известна система посадки летательного аппарата (патент № RU 2287838), состоящая из приемного блока спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС и/или GSP, размещенного на летательном аппарате, а также n (где n>3) наземных фазовых навигационных приемников, расположенных рядом со взлетно-посадочной полосой, которые формируют по полученным от навигационных спутников сигналам значения псевдофаз и псевдодальностей на один и тот же момент времени, которые с помощью блока передачи передаются в центр приема и формирования навигационного кадра, где из полученных сообщений формируется информационный кадр, который передается на летательный аппарат, в котором сигналы, полученные от всех навигационных спутников, находящихся в пределах видимости, обрабатываются совместно с сигналами наземных фазовых навигационных приемников. Используемый в данной системе посадки летательного аппарата принцип работы спутниковой радионавигационной системы называется дифференциальным режимом.
Недостатками данной системы являются недостаточная точность определения высоты полета летательного аппарата при низких посадочных метеоминимумах и требование наличия канала обмена данными между наземной и бортовой аппаратурой летательного аппарата, что затрудняет реализацию дифференциального режима на практике.
Наиболее близким техническим решением является система посадки летательного аппарата (патент № RU 2284058), состоящая из бортового приемника спутниковой радионавигационной системы, скомплексированного с инерциальной навигационной системой, блока формирования траекторных параметров, вычислителя системы автоматического управления, выходы которого связаны с электрогидроприводом поверхностей управления по тангажу и курсу, механически связанных с соответствующими рулевыми приводами, датчиками углового положения летательного аппарата, связанными с вычислителем системы автоматического управления. К приемнику спутниковой радионавигационной системы подключен индикатор летчика. В систему включены радиовысотомер, компаратор, курсоглиссадный приемник, связанные с ним через радиоканалы глиссадный и курсовой радиомаяки, блок фильтрации линейных траекторных параметров СНС и угловых отклонений от равносигнальных зон радиотехнических средств, две схемы не последовательно соединенные с компаратором, два входа которого соединены с задатчиком высоты 70-60 м и радиовысотомером, два блока умножения.
Недостатком данной системы с использованием радиомаячных средств посадки и спутниковой радионавигационной системы является то, что точность радиомаячных систем посадки существенно зависит от рельефа местности в районе аэродрома, а, значит, имеют место ограничения по применению данных систем на аэродромах со сложным рельефом местности.
Технический результат, достигаемый при реализации данной полезной модели, заключается в повышении точности и безопасности посадки в автоматическом режиме пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов на палубу корабля за счет использования блока обработки информации с применением алгоритмов фильтрации.
Указанный технический результат достигается применением устройства определения навигационной информации для автоматической посадки летательного аппарата на палубу корабля, которое включает блок обработки информации, состоящий из радиоприемника и вычислителя, предназначенный для приема и обработки навигационных сигналов радиомаяков, установленных на палубе корабля, с целью определения необходимой навигационной информации, при этом обработка информации и вычисление координат летательного аппарата происходит в блоке обработки с помощью алгоритмов фильтрации, при этом полученная информация поступает в траекторный блок, где вычисляются отклонения летательного аппарата от расчетной траектории захода на посадку, которые, в свою очередь, поступают в блок управления полетом, при этом блок обработки своим первым входом соединен с первым выходом системы навигации, второй вход блока обработки соединен с вторым выходом бортового приемника навигации, третий выход блока обработки соединен с третьим входом траекторного блока, четвертый выход которого соединен с четвертым входом системы управления.
Данное устройство обладает высокой точностью и простотой реализации, обеспечивают посадку на палубы кораблей.
Техническая сущность предполагаемой полезной модели поясняется графическими изображениями. На фиг. 1 изображена принципиальная схема предложенного способа посадки летательного аппарата на корабль; на фиг. 2 функциональная схема системы посадки летательного аппарата на корабль.
Система содержит:
1. взлетно-посадочная полоса корабля;
2. летательный аппарат;
3. радиомаяк;
4. искусственные спутники Земли;
5. система навигации;
6. бортовой приемник спутниковых радионавигационных систем (далее - бортовой приемник);
7. инерциальная система;
8. первый выход;
9. первый вход;
10. блок обработки, представляющий собой блок комплексной обработки информации и вычисления точных координат летательного аппарата в корабельной системе координат, обработка информации в котором происходит с помощью алгоритмов фильтрации, (далее по тексту - блок обработки)
11. третий выход;
12. бортовой приемник навигации;
13. предназначенного для приема и обработки навигационных сигналов радиомаяков с целью определения необходимой навигационной информации, второй выход;
14. второй вход;
15. третий вход;
16. траекторный блок;
17. четвертый выход;
18. четвертый вход;
19. система управления;
20. пятый выход.
Система посадки летательных аппаратов 2 (т.е. набор технических средств для посадки летательных аппаратов 2) состоит из следующих основных частей: радиомаяков 3, расположенных на палубе корабля, и оборудования, расположенного на борту летательного аппарата 2. Летательный аппарат 2 может представлять собой беспилотный летательный аппарат, самолет, вертолет, и т.п. Навигационные определения осуществляются на основе беззапросных измерений в аппаратуре летательного аппарата дальностей и радиальных скоростей.
Радиомаяки 3 представляют собой дальномерные радиомаяки 3, формирующие и передающие многокомпонентные фазоманипулированный радионавигационные сигналы. Для получения высокой точности измерений задержки сигнала излучаемый сигнал должен модулироваться дальномерным кодом. Навигационная информация должна представлять собой преобразованную цифровую последовательность данных, передаваемых аппаратурой радиомаяков на летательный аппарат. Передаваемое в радиосигналах радиомаяков навигационное сообщение содержит дальномерный код, код метки времени, служебную информацию, навигационные данные, координаты установки радиомаяков на палубе корабля и т.п. Радиомаяки 3 размещают на некотором расстоянии от оси взлетно-посадочной полосы и различной высоте на палубе корабля.
Оборудование, расположенное на борту летательного аппарата 3, включает в себя: систему навигации 5, блок обработки 10, бортовой приемник навигации 12, траекторный блок 16, систему управления 19.
Система навигации 5 состоит из инерциальной системы 7 и/или бортового приемника 6 (может быть исключен из состава системы навигации). Инерциальная система 7 - инерциальная навигационная система 5, обеспечивающая определение вектора скорости летательного аппарата 2. Бортовой приемник 6 - приемник сигналов спутниковых радионавигационных систем типа ГЛОНАСС и/или GPS. Блок обработки информации 10 и вычисления точных координат летательного аппарата 2 в корабельной системе координат, обработка информации в котором происходит с помощью алгоритмов фильтрации. Бортовой приемник навигации 12 представляет собой устройство для измерения расстояния от летательного аппарата 2 до радиомаяков 3 на палубе корабля. Траекторный блок 16 - блок вычисления отклонений летательного аппарата 2 от расчетной траектории захода на посадку и формирования сигналов, им соответствующих. Система управления 19 - система управления 19 полетом и заходом на посадку летательного аппарата 2, соединенная с исполнительными механизмами на борту летательного аппарата 2.
Все блоки, составляющие оборудование, расположенное на борту летательного аппарата 2, соединены между собой следующим образом. Система навигации 5 своим первым выходом 8 соединена с первым входом 9 блока обработки 10. Бортовой приемник навигации 13 своим вторым выходом 13 соединен с вторым входом 14 блока обработки 10. Блок обработки 10 своим третьим выходом 11 соединен с третьим входом 15 траекторного блока 16. Траекторный блок 16 своим четвертым выходом 17 соединен с четвертым входом 18 системы управления 19. Система управления 19 своим пятым выходом 20 соединена с исполнительными механизмами, расположенными на борту летательного аппарата 2. Соединение блоков выполнено посредством электрических соединений, например проводов.
Полезная модель осуществляется следующим образом.
На палубе корабля некотором удалении от взлетно-посадочной полосы размещают радиомаяки 3, с известными координатами их установки. Увеличение числа радиомаяков 3 повышает точность определения координат местоположения и скорости летательного аппарата 2.
Для точного определения местоположения и скорости летательного аппарата 2 бортовой приемник 6 должен принимать сигнал не менее чем четырех искусственных спутников Земли 4 спутниковых радионавигационных систем 5. Точность определения местоположения и скорости летательного аппарата 2 в спутниковой радионавигационной системе 5 зависит от множества факторов, таких как геометрия расположения спутников относительно бортового приемника 6, распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере, ухода часов, от типа обработки сигнала в конкретном приемнике и других факторов. При этом точность спутниковой радионавигационной системы 5 в любых условиях должна удовлетворять предъявляемым к ним требованиям, применительно к GPS для С/А кода, доступного всем потребителям, ошибка определения местоположения для 95% измерений не должна превышать 30 м, скорости - 0,1 м/с.
x
у
z
xa
уa
za
1
n
С первого выхода 8 навигационной системы 5 на первый вход 9 блока обработки 10 поступают сигналы, соответствующие составляющим вектора скорости летательного аппарата 2: V, V, V.. В блоке обработки 10 составляющие вектора скорости летательного аппарата 2 пересчитываются в составляющие вектора скорости летательного аппарата 2 в корабельной системе координат V, V, V, для чего может быть использовано устройство данного назначения любого типа. Также на второй вход 14 блока обработки 10 поступают сигналы с второго выхода 13 бортового приемника навигации 12, соответствующие информации о дальности до радиомаяков 3 D, …, D, расположенных на палубе корабля, скорости летательного аппарата, координаты установки радиомаяков на палубе корабля и прочая навигационная информация. В блоке обработки 10 информация о дальности до радиомаяков 3, скорости летательного аппарата в связанной и корабельной системах координат обрабатываются с помощью алгоритмов фильтрации. На третьем выходе 11 блока обработки 10 получаются сигналы, соответствующие точным оценкам местоположения летательного аппарата 2 в корабельной системе координат: .
xa
уa
za
Точность оценивания координат летательного аппарата 2 в блоке обработки 10 зависит от точности измерения дальности D до маяков 3, составляющих вектора скорости летательного аппарата 2 V, V, V и угловой скорости вращения линии дальности «маяк 3 - летательный аппарат 2». Чем выше угловая скорость вращения линии дальности «маяк 3 - летательный аппарат 2», тем выше точность оценивания координат летательного аппарата 2 и тем выше скорость списания начальной ошибки координат местоположения летательного аппарата 2. Максимальная точность оценивания достигается при пролете летательного аппарата 2 траверза маяков 3. Потенциальную точность определения координат местоположения летательного аппарата 2 можно определить по следующим формулам:
d
где σ - среднеквадратическое отклонение по линии дальности;
r
σ - среднеквадратическое отклонение по перпендикуляру к линии дальности;
z
2
S - интенсивность шума измерителя дальности, m⋅с;
x
S - интенсивность шума измерителя скорости, ,
А’ - угловая скорость вращения линии дальности,  (Лебедев А.В., Пасюк В.П. «Влияние доплеровского канала на точность оценивания координат в монодальномерных системах» Научно-методические материалы по алгоритмическому обеспечению бортовых комплексов. Под ред. Букова В.Н. - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 1987 г.).
В соответствии с вышеприведенными формулами максимальная точность оценивания координат будет достигнута в момент пролета летательного аппарата 2 траверза маяков 3, когда угловая скорость вращения линии дальности «маяк 3 - летательный аппарат 2» будет максимальной. Угловая скорость вращения линии дальности «маяк 3 - летательный аппарат 2» зависит от расстояния от летательного аппарата 2 до маяка 3 и скорости летательного аппарата 2, заходящего на посадку, которая может составлять от десятка до сотни метров в секунду, в зависимости от типа летательного аппарата 2.
Сигналы, соответствующие точным координатам местоположения летательного аппарата 2, с третьего выхода 11 блока обработки 10 поступают на третий вход 15 траекторного блока 16. В траекторном блоке 16 вычисляются отклонения летательного аппарата 2 от расчетной траектории захода на посадку: Δ X, Δ Y, Δ Z и формируются сигналы, соответствующие этим отклонениям. Сигналы с четвертого выхода 17 траекторного блока 16 поступают на четвертый вход 18 системы управления 19. Система управления 19 согласно сигналам отклонения летательного аппарата 2 формирует сигналы, которые с пятого выхода 20 поступают к исполнительным механизмам, расположенным на борту летательного аппарата 2.
x
c
z
2
2
Потенциальная точность данного способа посадки летательного аппарата 2 оценивается следующим образом. В момент пролета летательным аппаратом 2 траверза маяков 3, в зависимости от его типа, угловая скорость вращения линии дальности «маяк 3 - летательный аппарат 2» может находиться в диапазоне . Интенсивность шума измерения скорости спутниковой радионавигационной системы 5 S<0,2 m/, а точность интенсивность шума измерителя дальности S≅1 m⋅с. Потенциальная точность определения координат местоположения летательного аппарата 2 (среднеквадратическое отклонение) составит менее 1 м.
Данный способ и устройство посадки летательного аппарата обладают высокой точностью и простотой реализации, обеспечивают посадку на палубы кораблей.