ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ПОСАДКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ
AIRCRAFT LANDING LASER SYSTEM

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к системам посадки воздушных судов, и может быть использовано для улучшения ориентации летчика при пилотировании воздушного судна в процессе захода на посадку и выполнения посадки в условиях ограниченной видимости (в сумерках, ночью и в сложных метеоусловиях).
Среди лазерных систем посадки воздушных судов, применение которых не требует оснащения воздушного судна каким-либо дополнительным оборудованием, известна, например, лазерная система посадки (патент США №4196346, МПК: Н04В 9/00; G01S 1/18), которая включает расположенные вдоль края взлетно-посадочной полосы (ВПП), по крайней мере, 4 (четыре) лазерных излучателя и микроволновый генератор. Лазеры излучают свет с разной длиной волны (чтобы отличить излучение одного лазера от другого), и их лучи направлены под разными углами относительно горизонтальной плоскости ВПП так, что луч от излучателя, расположенного ближе других к торцу ВПП, направлен под наибольшим углом к плоскости ВПП, а луч от излучателя, расположенного дальше других от торца ВПП, направлен под наименьшим углом к плоскости ВПП. Участки лучей между точками их пересечения образуют траекторию снижения (приземления) воздушного судна. Для более вероятного обнаружения лазерного луча движение воздушного судна при его вхождении в область территории посадки корректируется с помощью пучка микроволнового излучения.
Эта система имеет ряд существенных недостатков, заключающихся в необходимости использования дополнительного генератора микроволнового излучения, большого количества лазерных излучателей с различными длинами волн излучения, что значительно усложняет систему и делает ее крайне дорогостоящей. Кроме того, сама методика посадки по данной системе не имеет определенного параметра точности посадки воздушного судна, так как не позволяет пилоту по заданной конфигурации лазерных лучей однозначно определить положение воздушного судна относительно ВПП, особенно в условиях ограниченной видимости.
Известна система посадки (патент США №6320516, МПК: G08G 5/00), включающая два лазерных источника, свет к которым от газового лазера подводится по оптическому волокну и которые устанавливаются в начале ВПП по ее краям. Лучи от этих источников направлены под небольшим углом к осевой линии ВПП, а в плоскости, перпендикулярной плоскости ВПП, лучи сканируют в пространстве, образуя две световые треугольные стены, обозначающие коридор для движения воздушного судна. Причем нижнее положение луча в плоскости сканирования указывает корректную траекторию снижения воздушного судна. Помимо этого свет от второго газового лазера, распространяясь по оптическому волокну, создает в начале ВПП на ее плоскости определенную сетку огней, обозначающих, в том числе, и осевую линию ВПП.
К недостаткам этой системы, безусловно, следует отнести отсутствие возможности для пилота воздушного судна ориентироваться в пространстве по азимуту, т.к. свет от сетки огней на ВПП, обозначающих осевую линию, не будет виден в условиях ограниченной видимости, также как и огни обычной светосигнальной системы. Кроме того, ориентируясь по нижнему положению боковых лазерных лучей при их сканировании, пилот воздушного судна не в состоянии однозначно определить положение воздушного судна относительно плоскости глиссады, как это предлагается в данном изобретении. Помимо этого система сама по себе является достаточно сложной, так как требует применения сканирующих устройств для лазерных излучателей.
Известна также система посадки летательных аппаратов (авторское свидетельство СССР №1828036, МПК: B64F 1/18), которая содержит установленные в начале ВПП три лазерных излучателя (один по центру и два по краям) и четыре блока лазерных излучателей, установленных на боковых границах ВПП симметрично ее продольной оси. Блоки лазерных излучателей создают пучки лазерных лучей, расположенные в плоскостях, перпендикулярных поверхности ВПП и параллельных ее оси, и расположенные под углом друг к другу. При вхождении воздушного судна в область посадки и пересечении им пучков лазерных лучей блоки лазерных излучателей должны поворачиваться вокруг вертикальной и горизонтальной осей таким образом, чтобы пучки лазерных лучей приблизились к лазерным лучам, создаваемым тремя лазерными излучателями.
Очевидным недостатком данной системы является ее сложность, обусловленная, во-первых, использованием большого количества лазерных излучателей, а во-вторых, необходимостью регулировки положения блоков лазерных излучателей во время приземления воздушного судна.
Наиболее близкой к заявляемой является лазерная система посадки самолетов «Глиссада» (Зуев В.Е., Фадеев В.Я. Лазерные навигационные устройства. - М.: Радио и связь, 1987), которая включает несколько лазерных излучателей, в том числе курсовой, глиссадные, маркерные и отмечающие боковые границы ВПП. В системе использованы принцип проективной геометрии и явление рассеяния лазерного излучения в атмосфере, за счет которых летчик визуально воспринимает комбинацию лучей в виде символа, определяющего положение самолета относительно посадочной траектории и точки приземления. При этом курсовой лазерный излучатель устанавливается на осевой линии ВПП перед торцом ВПП, а глиссадные лазерные излучатели устанавливаются с внешней стороны боковых границ ВПП ближе к торцу ВПП. В качестве лазерных излучателей используются HE-NE - лазеры или криптоновые лазеры непрерывного действия. Лучи лазерных излучателей направлены навстречу движению приземляющегося самолета. Угол наклона лучей глиссадных лазерных излучателей относительно горизонтальной плоскости ВПП составляет 2 градуса 40 минут.
Недостатком данной системы посадки является использование в качестве лазерных излучателей газовых лазеров, имеющих недостаточную надежность, небольшое время наработки на отказ, большие габариты и энергопотребление. К тому же использование газовых лазеров, излучающих свет в видимой области спектра, не позволяет создать надежные средства светомаскировки. Кроме того, в описании системы не определены параметры расположения лазерных излучателей относительно ВПП, не определены параметры углов наклона лучей лазерных излучателей относительно горизонтальной плоскости ВПП и относительно осевой линии ВПП.
Задачей предлагаемого решения является создание надежной лазерной системы посадки, повышающей уровень безопасности при посадке воздушных судов и характеризующейся повышенным сроком службы, минимальным энергопотреблением и небольшими габаритами.
Техническим результатом является улучшенная видимость лазерных лучей в воздушном пространстве и их комбинации, создающей символ, по которому летчик определяет положение самолета относительно посадочной траектории и точки приземления, особенно в сложных метеоусловиях, увеличение эффективности работы системы с точки зрения обеспечения воспроизводимости точности посадки воздушных судов за счет оптимального расположения лазерных излучателей и генерируемых ими лазерных лучей.
Поставленная задача решается тем, что в лазерной системе посадки воздушных судов, содержащей, по крайней мере, три лазерных излучателя, установленных вблизи взлетно-посадочной полосы со стороны захода воздушного судна на посадку, два из которых - глиссадные - расположены по краям полосы и предназначены для формирования лучей, определяющих плоскость глиссады, а третий - курсовой - расположен на продолжении осевой лини полосы и предназначен для формирования луча, определяющего курс посадки, согласно техническому решению в качестве лазерных излучателей используют полупроводниковые лазерные излучатели, выполненные с возможностью изменения направления формируемых лучей в вертикальной и горизонтальной плоскостях, при этом глиссадные излучатели установлены на расстоянии d от начала полосы, а курсовой излучатель установлен с возможностью формирования луча под углом α относительно горизонтальной плоскости, при этом значение d и α определяется из следующих соотношений:
d=Δh/tgφ,
β<α<φ,
где Δh - заданная величина допустимой ошибки положения воздушного судна по вертикали в точке дальнего привода при посадке,
φ - заданный угол наклона плоскости глиссады,
β - угол свободного прохождения луча над неровностями местности.
Глиссадные излучатели могут быть установлены с возможностью формирования расходящихся относительно осевой линии лучей для расширения условного «коридора» вхождения воздушного судна в точке дальнего привода, при этом углы отклонения каждого луча относительно вертикальной плоскости, проходящей через осевую линию полосы, могут быть выбраны равными. Глиссадные излучатели предпочтительнее устанавливать на минимально возможном расстоянии от боковых границ полосы.
При непрерывной интенсивности излучения глиссадных излучателей интенсивность излучения курсового излучателя может быть модулирована с частотой, выбранной из условия возможности визуальной идентификации луча с модулированной интенсивностью. При непрерывной интенсивности излучении курсового излучателя интенсивность излучения глиссадных излучателей может быть модулирована с частотой, выбранной из условия возможности визуальной идентификации лучей с модулированной интенсивностью.
Интенсивность излучении глиссадных излучателей может быть модулирована с частотой, отличающейся от частоты модулирования интенсивности излучения курсового излучателя. При этом разница между частотами модуляции интенсивности излучения курсового и глиссадных излучателей определяется возможностью визуального наблюдения данных отличий.
В качестве лазерных излучателей в системе посадки могут использоваться лазерные излучатели, излучающие свет в невидимой - инфракрасной области спектра, за счет чего может быть обеспечена полная светомаскировка. При этом посадка воздушного судна может осуществляться с использованием летчиком приборов ночного видения.
Интенсивность излучения лазерных излучателей может регулироваться при необходимости в зависимости от атмосферных условий в воздушном пространстве вокруг аэродрома.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид сверху на ВПП, на фиг.2 - общий вид на ВПП под углом сбоку, на фиг.3 - общий вид сбоку на ВПП, на фиг.4 - вид сверху на глиссадный излучатель и на фиг.5 - схема взаимного расположения лазерных лучей, наблюдаемых с приземляющегося воздушного судна при различных положениях его относительно траектории посадки.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - ВПП, 2 - левый глиссадный излучатель, 3 - правый глиссадный излучатель, 4 - курсовой излучатель, 5 - самолет, 6 - лазерный луч левого глиссадного излучателя, 7 - лазерный луч правого глиссадного излучателя, 8 - лазерный луч курсового глиссадного излучателя.
Буквами и символами на чертежах обозначены: d - расстояние, на котором расположены глиссадные излучатели относительно торца ВПП, φ - угол глиссады, α - угол наклона лазерного луча курсового излучателя, γ, γ' - угол между вертикальной плоскостью, проходящей через осевую линию ВПП, и лазерными лучами глиссадных излучателей, β - угол свободного прохождения луча над неровностями местности, ℓ, ℓ' - длина видимых отрезков глиссадных лучей, Δh - величина допустимой ошибки положения воздушного судна по вертикали в точке дальнего привода при посадке.
Лазерные излучатели 2, 3 и 4, составляющие систему посадки воздушных судов, расположены в начале ВПП в соответствии с фиг.1, фиг.2 и фиг.3. Глиссадные лазерные излучатели 2 и 3 устанавливаются по краям за пределами ВПП, как можно ближе к ее боковым границам, насколько позволяет это сделать другое оборудование, находящееся вблизи ВПП. Расстояние от торца ВПП до места установки глиссадных лазерных излучателей d определяется заданной величиной допустимой ошибки положения самолета по вертикали в точке дальнего привода при посадке (фиг.3). Объясняется это следующим образом. Лазерные лучи 6 и 7 излучателей 2 и 3 направлены в сторону приземляющегося воздушного судна под углом глиссады φ относительно горизонтальной плоскости ВПП (фиг.3). Величина данного угла устанавливается для каждого аэродрома в зависимости от условий местности. По законам проективной геометрии летчик наблюдает лучи 6 и 7 в виде светящихся отрезков, исходящих из краев ВПП в противоположные стороны от ВПП (фиг.5). Если воздушное судно находится в плоскости глиссады, то видимые отрезки лучей 6 и 7 будут перпендикулярны осевой линии ВПП (фиг.5, поз.2, 4 и 5). Именно перпендикулярность отрезков лучей 6 и 7 осевой линии ВПП означает точное положение воздушного судна в плоскости глиссады. Т.к. плоскость глиссады пересекается с ВПП в месте касания шасси самолета с ВПП (т.е. в ее начале), то перемещение места установки глиссадных излучателей на расстояние d от начала ВПП условно поднимает плоскость глиссады относительно ВПП на величину Δh=d•tgφ (фиг.3). Поэтому учитывая принятый допуск положения воздушного судна по вертикали в точке дальнего привода при посадке, значение расстояния d должно удовлетворять условию d<Δh/tgφ. Это обстоятельство необходимо обязательно учитывать, если для обеспечения безопасной посадки самолета в условиях ограниченной видимости, чтобы летчик мог как можно дольше видеть отрезки лучей 6 и 7, глиссадные излучатели располагают на максимально возможном удалении от начала ВПП. Кроме того, относительно вертикальной плоскости, проходящей через осевую линию ВПП, лучи 6 и 7 могут расходиться под некоторым углом γ, который может меняться от нуля до значения, например, 15-20 градусов, при котором точность посадки будет становиться хуже заданной, и (или) длина ℓ видимых отрезков этих лучей будет недостаточной для обеспечения заданной дальности их обнаружения (фиг.4). Положительным следствием увеличения угла γ (γ'>γ) может стать расширение условного «коридора», в который должно войти воздушное судно в точке дальнего привода. Однако при этом произойдет уменьшение длины видимых отрезков глиссадных лучей (ℓ'<ℓ) и, как следствие, уменьшение дальности обнаружения этих лучей, которая должна быть не меньше дальности удаления точки дальнего привода. Кроме того, увеличение угла γ снижает в итоге точность посадки воздушного судна на ВПП.
Курсовой лазерный излучатель 4 устанавливается с внешней стороны торцевого края ВПП как можно ближе к этому краю, насколько позволяет это сделать другое оборудование (например, световое обозначение полосы), находящееся вблизи ВПП (фиг.1, фиг.2 и фиг.3). Луч 8 курсового излучателя 4 направлен в сторону приземляющегося воздушного судна строго в вертикальной плоскости, проходящей через осевую линию ВПП, и под углом α относительно горизонтальной плоскости ВПП (фиг.3). Угол α определяется соотношением β<α<φ, где угол β - угол свободного прохождения луча над неровностями местности (фиг.3). По законам проективной геометрии летчик приземляющегося воздушного судна видит луч 8 в виде светящегося отрезка, который будет являться продолжением осевой линии ВПП, если воздушное судно движется строго по курсу (фиг.5, поз.1, 2 и 3).
Посадка воздушного судна с применением предлагаемой лазерной системы посадки происходит следующим образом.
При приближении воздушного судна к точке дальнего привода летчик, как указывалось выше, наблюдает лазерные лучи 6, 7 и 8 в виде светящихся отрезков, исходящих из точек установки лазерных излучателей (фиг.5). Эти отрезки служат удобными ориентирами летчику для определения положения воздушного судна как относительно курса посадки, так и относительно плоскости глиссады. При правильном заходе в точку дальнего привода с помощью штатных радиотехнических средств для летчика не составляет труда распознать глиссадные лучи 6 и 7 и курсовой 8. Если летчик по каким-то причинам допускает большую ошибку по соблюдению траектории подлета к точке дальнего привода, то для правильной идентификации летчиком правого и левого глиссадных лучей и курсового луча интенсивность их излучения может быть промодулирована с частотой, легко воспринимаемой и фиксируемой глазом человека (несколько Гц). Здесь возможны разные варианты. Например, интенсивность курсового луча может быть прерывистой, а интенсивность глиссадных лучей - постоянной или наоборот. Интенсивность всех трех лучей может быть прерывистой, но при этом частота модуляции интенсивности курсового луча должна отличаться от частоты модуляции интенсивности глиссадных лучей так, чтобы это легко фиксировалось глазом летчика. При правильном положении воздушного судна на траектории движения при посадке после прохождения точки дальнего привода летчик видит курсовой луч 8 как продолжение осевой линии ВПП, а наблюдаемые им отрезки глиссадных лучей 6 и 7 должны быть перпендикулярны осевой линии ВПП, т.е. отрезку курсового луча 8, и составлять одну линию (фиг.5, поз.2). Любые отклонения воздушного судна от правильной траектории вызовут изменение положения отрезков лучей относительно друг друга. Так если воздушное судно идет по курсу, но находится выше плоскости глиссады, то концы отрезков глиссадных лучей будут опускаться вниз (фиг.5, поз.1), если ниже плоскости глиссады - то подниматься вверх (фиг.5, поз.3). Если воздушное судно движется в плоскости глиссады, но правее правильного курса, то конец отрезка курсового луча будет перемещаться влево (фиг.5, поз.4), если левее правильного курса - то вправо (фиг.5, поз.5). Очевидно, что возможны смешанные ситуации, когда воздушное судно находится не на плоскости глиссады и не на курсе. В этом случае расположение лучей будет соответствовать комбинации каких-либо двух позиций из представленных на фиг.5. Таким образом, задача летчика при посадке воздушного судна по заявляемой системе посадки сводится к поддержанию воздушного судна на такой траектории, в каждой точке которой наблюдаемые им отрезки глиссадных лучей 6 и 7 должны составлять прямую линию, а отрезок курсового луча 8 должен быть перпендикулярен этой линии.
Существенным достоинством заявляемой системы является высокая чувствительность реагирования положения видимых отрезков лучей относительно друг друга (фиг.5) на изменения положения воздушного судна относительно заданной траектории снижения. Этим определяется высокая точность приземления (+/- 0,5 м), которую обеспечивает заявляемая система.
В соответствии с заявляемым решением была изготовлена и установлена на аэродроме лазерная система посадки, содержащая три излучателя на основе полупроводниковых лазеров, генерирующих свет на длине волны 635 нм. Курсовой излучатель был установлен на расстоянии 60 м от торца ВПП и его луч был направлен под углом 1 градус 8 минут относительно горизонтальной плоскости ВПП. Глиссадные излучатели были установлены на расстоянии 3 м от бокового края ВПП и на расстоянии 300 м от курсового излучателя. Лучи глиссадных излучателей были направлен под углом глиссады (2 градуса 50 минут) относительно горизонтальной плоскости ВПП и под нулевым углом относительно вертикальной плоскости, проходящей через осевую линию ВПП. Было произведено 9 заходов на посадку на самолете ЯК-40 в темное время суток, причем несколько из них при потушенных огнях высокой интенсивности и один при потушенных огнях ИВПП. Дальность видимости лучей при нормальной погоде в темное время суток составила более 10 км (удаление точки дальнего привода составляло 4 км, Δh=+/-20 м). Точность посадки по такой системе составила +/- 0,5 м. Энергопотребление всей системы составила не более 800 Вт, габариты одного лазерного излучателя составили 200×400×600 мм.
Таким образом, заявляемая система позволяет осуществлять с высокой точностью посадку воздушного судна в условиях ограниченной видимости и даже при выключенном штатном светотехническом оборудовании аэродрома.