СИСТЕМА И СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОЙ ПОСАДКИ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
SYSTEM AND METHOD OF AIRCRAFT AUTOMATIC LANDING

Группа изобретений относится к системам автоматической посадки летательных аппаратов (ЛА) и может быть использована для автоматической посадки пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является радиомаячная система инструментального захода самолетов на посадку [1], которая выбрана в качестве прототипа, известная в мировой практике гражданской авиации ИЛС (ILS - Instrument Landing System) с опорным нулем (nul reference) [2, 3].
Прототип содержит курсовой радиомаяк (КРМ), глиссадный радиомаяк (ГРМ), расположенные на земле, и курсовой и глиссадный радиоприемники (КРП и ГРП), установленные на борту самолета.
1
1
2
2
1
2
Первая антенна КРМ формирует диаграмму направленности (ДН) F(ε), где ε - азимутальный угол, симметричную относительно курсовой линии (осевой линии ВПП), излучая амплитудно-модулированный сигнал с несущей частотой и частотами модуляции f=90 Гц и f=150 Гц (Фиг.1). Вторая антенная система формирует двухлепестковую ДН, F(ε), которая излучает только боковые частоты спектра амплитудно-модулированного сигнала с частотами модуляции f=90 Гц и f=150 Гц. Фазы соответствующих боковых частот в этих лепестках противоположны. При этом в одном лепестке фаза боковых частот совпадает с фазой боковых частот в спектре, излучаемом первой антенной, а в другом - находится в противофазе. Информативный параметр, формируемый в КРП и используемый для коррекции курса, - разность глубин модуляции.
Разность глубин модуляции (РГМ) на курсовой линии (над осью ВПП) равна нулю. При отклонении от курсовой линии РГМ становится отличной от нуля, а знак РГМ зависит от того, в какую сторону произошло отклонение. Курсовая линия, заданная КРМ, представляет собой геометрические места точек, в которых РГМ равна нулю. Проекция получаемой курсовой линии на землю совпадает с осью ВПП. Принцип работы ГРМ и ГРП аналогичен принципу работы КРМ и КРП. Траектория захода на посадку является, таким образом, линией пересечения плоскостей курса и глиссады, создаваемых КРМ и ГРМ.
2
Недостаток описываемого устройства обусловлен тем, что траектория захода на посадку лежит в минимуме ДН F(ε). В результате требуется повышенная мощность передатчиков КРМ и ГРМ.
Задачей изобретения является создание курсоглиссадной посадочной системы, используемой для автоматической посадки пилотируемых и беспилотных ЛА, с устранением указанных недостатков.
Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении надежности автоматической посадки ЛА, а также в использовании меньшей мощности передатчиков КРМ и ГРМ.
1
Заявляемый технический результат достигается за счет того, что в способе автоматической посадки ЛА курсовой и глиссадный радиомаяки (КРМ и ГРМ), находящиеся на земле, излучают сигналы антенными решетками КРМ и ГРМ, при этом каждая из решеток КРМ и ГРМ передает два сигнала на несущей частоте ω, различной для КРМ и ГРМ, один сигнал не модулируется, а второй модулирован по фазе синусоидальным сигналом с частотой Ω, КРП и ГРП с помощью первой антенны и первого приемного устройства каждого приемника принимают сигнал, являющийся результатом интерференции сигналов на соответствующей несущей частоте, усиливают его, и после детектирования квадратичным детектором сигнал поступает на вход фильтра, который выделяет гармонику с частотой Ω, полученный сигнал подают на первый вход синхронного детектора, который формирует сигнал отклонения от курсовой (глиссадной) линии, причем амплитуда сигнала на выходе синхронных детекторов КРП и ГРП будет пропорциональна синусу разности фаз двух сигналов, излучаемых антеннами КРМ и ГРМ соответственно, а опорный сигнал с частотой Ω для синхронных детекторов КРП и ГРП излучается отдельной антенной, находящейся на земле, при этом опорный сигнал с частотой Ω передается с помощью модулированной по амплитуде, или частоте, или фазе несущей частоты ω и принимается второй антенной КРП и ГРП, где указанный сигнал поступает на второе приемное устройство, усиливается и детектируется, полученный сигнал подается на второй вход синхронного детектора, сформированный сигнал отклонения от курсоглиссадной линии передается в систему автоматического управления ЛА и к индикатору отклонения траектории от курсовой (глиссадной) линии.
Технический результат также достигается за счет того, что в системе автоматической посадки ЛА содержатся установленные на земле КРМ и ГРМ с антенными решетками, состоящими, как минимум, из двух пространственно разнесенных антенн, и установленные на борту ЛА КРП и ГРП, при этом каждый КРМ и ГРМ содержит генератор несущей частоты, соединенный с входом установочного фазовращателя информационного сигнала и с первым входом фазового модулятора информационного сигнала, причем выход установочного фазовращателя информационного сигнала через первый усилитель мощности информационного сигнала соединен с первой антенной, а второй вход фазового модулятора информационного сигнала соединен с первым выходом генератора опорной частоты, а выходом через второй усилитель мощности информационного сигнала соединен со второй антенной, второй выход генератора опорной частоты соединен со вторым входом модулятора опорного сигнала, который первым входом соединен с генератором несущей частоты опорного сигнала, а выходом соединен через усилитель мощности опорного сигнала с передающей антенной опорного сигнала, а каждый КРП и ГРП содержит приемную антенну информационного сигнала, соединенную с приемным устройством информационного сигнала, которое входом-выходом соединено с первой автоматической системой регулировки усиления (АРУ), а выходом связано с квадратичным детектором, который через фильтр соединен с первым входом синхронного детектора, а также приемную антенну опорного сигнала, соединенную с приемным устройством опорного сигнала, которое входом-выходом соединено со второй АРУ, а выходом - с детектором, который соединен со вторым входом синхронного детектора, выход которого подключен к системе автоматического управления ЛА и к индикатору отклонения траектории от курсовой (глиссадной) линии.
3
4
1
Антенная решетка КРМ (ГРМ), состоящая, как минимум, из двух пространственно разнесенных антенн, формирует ДН F(ε), максимум которой направлен вдоль курсовой (глиссадной) линии (Фиг.2). При этом ширина главного лепестка ДН по уровню -3 дБ определяется рабочей длиной волны КРМ (ГРМ) и расстоянием между антеннами. Для получения информации об отклонении траектории от курса (глиссады) используется метод адаптивного управления с модуляцией сигналов [4, 5]. Один сигнал, излучаемый антенной решеткой, модулируется по фазе синусоидальным сигналом с частотой Ω. Наличие фазовой модуляции сигнала приводит к качанию ДН в пространстве относительно курсовой (глиссадной) линии с частотой Ω и угловой амплитудой на максимальный угол, меньший ширины главного лепестка ДН антенных решеток. Качание ДН приводит к амплитудной модуляции сигнала на входе КРП (ГРП). Амплитуда первой гармоники модулирующей частоты Ω, выделенная синхронным детектором, несет информацию о положении ЛА относительно максимума ДН. Опорный сигнал для синхронного детектора излучается отдельной антенной с диаграммой направленности F(ε) и формируется путем модуляции несущей частоты ω, отличающейся от частоты передатчиков КРМ (ГРМ) сигналом с частотой Ω (Фиг.2).
Изобретение поясняется чертежами.
4
3
На Фиг.2 в полярной системе координат показаны ДН антенны опорного канала F(ε) и ДН F(ε), формируемые курсоглиссадной посадочной системой.
На Фиг.3 показана структурная схема построения КРМ (ГРМ), на которой введены обозначения: 1 - генератор несущей частоты ω; 2 -установочный фазовращатель информационного сигнала; 3 - фазовый модулятор информационного сигнала; 4 - генератор несущей частоты опорного сигнала; 6 - генератор опорной частоты; 5 - модулятор опорного сигнала (амплитудный, фазовый или частотный); 7 и 9 - усилители мощности информационного сигнала; 8 - усилитель мощности опорного сигнала; 10, 12 - передающие антенны информационного сигнала; 11 - передающая антенна опорного сигнала.
На Фиг.4 показана структурная схема построения КРП (ГРП) со следующими обозначениями: 13 - приемная антенна информационного сигнала; 14 - приемное устройство информационного сигнала; 15 - автоматическая система регулировки усиления (АРУ) информационного сигнала; 16 - квадратичный детектор; 17 - фильтр; 18 - синхронный детектор; 19 - амплитудный детектор; 20 - приемная антенна опорного сигнала; 21 - приемное устройство опорного сигнала; 22 - АРУ опорного сигнала.
3
3
Рассмотрим антенную решетку КРМ (ГРМ), состоящую из двух антенн 10 и 12 (Фиг.4), которая формирует ДН F(ε) и излучает сигналы с несущей частотой ω, генерируемой задающим генератором 1. Требуемая мощность сигнала с частотой ω достигается с помощью усилителей мощности 7 и 8. Установочный фазовращатель 2 предназначен для совмещения направления максимума ДН F(ε) с курсовой (глиссадной) линией. Генератор 6 опорной частоты Ω с помощью фазового модулятора 3 осуществляет синусоидальную фазовую модуляцию сигнала, излучаемого антенной 12.
Напряженность поля сигналов с частотой ω, создаваемых антеннами 10 и 12, в точке приема составит
1
2
А exp j(ωt+β) и А exp j(ωt+β+a sinΩt) соответственно,
1
2
где β, β - фазы в точке приема; а - индекс фазовой модуляции.
Суммарная интенсивность сигнала с несущей частотой ω в точке приема может быть представлена выражением:
2
0
1
2
I=A[2+J(a)cos(β-β)]-
2
0
1
1
2
- 4AJ(a)J(a)sin(β-β)sinΩt+
-
0
1
2
где J(a), J(a), J(a) - функции Бесселя нулевого, первого и второго порядка соответственно.
2
0
l
l
2
1
2
Амплитуда первой гармоники 4AJ(a)J(a)sin(β-β) модулирующей частоты Ω становится равной нулю при β-β=2πn, где n - целое число, т.е. в максимумах и минимумах ДН. Сигнал, выделенный с помощью синхронного детектирования, используется в качестве информативного параметра, показывающего отклонение ЛА от курсовой (глиссадной) линии, причем в зависимости от направления отклонения амплитуда сигнала на выходе синхронного детектора будет иметь разные знаки. Курсовая линия представляет собой геометрические места точек, в которых сигнал на выходе синхронного детектора равен нулю.
1
4
Опорный сигнал с частотой Ω, необходимый для работы синхронного детектора, передается с помощью модулированной (по амплитуде, частоте или фазе) несущей с циклической частотой ω и получается с помощью генератора 4, модулятора 5 и усилителя мощности 8. Антенна опорного сигнала 11 формирует в пространстве ДН F(ε) (Фиг.2).
2
0
1
1
2
1
Структурная схема КРП (ГРП) показана на Фиг.4. Сигнал с несущей частотой ω, мощность которого определяется соотношением (1), принятый антенной 13, поступает на вход приемного устройства 14 с АРУ 15. После детектирования квадратичным детектором 16 сигнал поступает на вход фильтра 17, который выделяет гармонику с частотой Ω и амплитудой, пропорциональной 4AJ(a)J(a)sin(β-β). Этот сигнал поступает на первый вход синхронного детектора 18. Модулированный сигнал с несущей ω с выхода второй антенны 20 поступает на вход второго приемного устройства 21 с АРУ 22 и детектируется детектором 19. Полученный опорный сигнал с частотой Ω поступает на второй вход синхронного детектора 18. Амплитуда сигнала на выходе синхронного детектора будет пропорциональна синусу разности фаз сигналов, излучаемых антеннами 10 и 12 (Фиг.3). Этот сигнал поступает на индикатор отклонения траектории от курсовой (глиссадной) линии.
2
Экспериментальная проверка возможности реализации изобретения осуществлялась с помощью макета. Структурная схема наземного оборудования макета КРМ приведена на Фиг.3. Макет работает в 4-сантиметровом диапазоне волн. В качестве задающего генератора двухканального передающего устройства использован генератор Г4-82, сигнал с которого разделяется на два канала двойным волноводным тройником. Усилители мощности в каналах построены на усилительных клистронах КУ-108. Выходы клистронов нагружены на рупорные антенны с площадью апертуры 9×12 см. Расстояние между центрами рупоров составляет 0,45 м. Ширина суммарной ДН, формируемой двухэлементной антенной, в плоскости апертуры составляет 0,1 рад по нулевому уровню. Для выравнивания уровня мощности, излучаемой обоими каналами передатчика, на входах клистронов установлены поглощающие аттенюаторы. Для выравнивания электрической длины каналов передатчика от задающего генератора до раскрыва рупоров использованы тромбонные фазовращатели, включенные на входах клистронов. Фазовая модуляция сигнала в одном из каналов передатчика осуществляется управляемым ферритовым фазовращателем, включенным на входе одного из двух каналов передатчика. В качестве модулирующей частоты использован сигнал, снятый с питающей сети частотой 400 Гц.
2
Для приема сигналов в макете КРП используются рупорные антенны с площадью апертуры 9×12 см. Структурная схема макета КРП системы автоматической посадки приведена на Фиг.4. Верхний рупор приемника служит для формирования сигналов управления ЛА. Излученный КРМ сигнал принимается бортовым приемником, сигнал с выхода амплитудного детектора через узкополосный фильтр модулирующей частоты и через двухкаскадный усилитель с коэффициентом усиления ~20 дБ, нагрузкой которого является входной трансформатор синхронного детектора. На выходе синхронного детектора включен фильтр низкой частоты (ФНЧ) и стрелочный индикатор с дифференциальной шкалой, который является индикатором отклонения от курсовой линии. Нижний рупор приемника, нагруженный на детекторную головку со стрелочным индикатором, используется для контроля уровня излучаемого сигнала.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ
1. ГОСТ 26121-84. Системы инструментального захода самолетов на посадку радиомаячные. Термины и определения. - М.: Издание стандартов, 1985.
2. Белогородский С.Л. Автоматизация управления посадкой самолета. - Л.: Транспорт, 1972.
3. Авиационная радионавигация: Справочник / А.А.Сосновский, И.А.Хаймович, Э.А.Лутин, И.Б.Максимов; Под ред. А.А.Сосновского. - М.: Транспорт, 1990.
4. Воробьев Н.В. Особенности построения излучающих систем с модуляцией сигналов. Радиофизика. - М.: МРТИ АН СССР, 1991. С.170. - 186.
5. Воробьев Н.В, Грязнов В.А. Адаптивные излучающие системы с независимой самонастройкой. Радиотехника (Журнал в журнале), 2001 г., №5.