УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СИГНАЛА ОПАСНОЙ СКОРОСТИ СБЛИЖЕНИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА С ПОДСТИЛАЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ

Устройство ДЛЯ формирования сигнала опасной скорости сближения воздушного судна с подстилающей поверхностью
Полезная модель относится к технике бортовых систем раннего предупреждения приближения к земле и может быть использована в режиме выдачи сигнализации об опасной скорости сближения с подстилающей поверхностью.
Сигнал сигнализации пилота об опасной скорости сближения воздушного судна (ВС) с подстилающей поверхностью (сигнал ОСС) входит в состав сигналов сигнализации, формируемых в современных системах предупреждения приближения к земле. Принцип формирования сигнала ОСС заключается в следующем. По измеренным, например с помощью радиовысотомера, значениям высоты ВС вычисляют скорость изменения высоты, сравнивают комбинацию двух параметров (высота и скорость ее изменения) с предустановленными областями сигнализации и, в случае нахождения этих параметров в пределах областей, выдают сигнализацию пилоту.
Основная идея режима заключается в том, чтобы предупредить экипаж о том, что высота ВС над рельефом быстро уменьшается за счет увеличения высоты рельефа (при этом ВС может лететь горизонтально или даже с набором барометрической высоты). Однако, логика работы режима допускает большое количество ложных сигнализаций при полете над изменяющимся рельефом (горный рельеф), где возможны быстрые скачкообразные изменения высоты, не представляющие опасности для ВС, но при которых скорость изменения высоты считается опасной. Причем для появления очень больших значений в скорости изменения высоты не требуется значительных изменений в высоте. Например, при пересечении границы поле-лес происходит скачкообразное изменение высоты на 30-40 м. Учитывая значительную горизонтальную скорость ВС, этот переход происходит в очень малый промежуток времени и скорость изменения высоты может достигать сотен метров в секунду, а предупреждение должно выдаваться при скорости изменения высоты, начиная от 10 м/с (в зависимости от высоты).
Известно устройство для выдачи сигнализации об опасной близости к земле (RU 2124760 С1, МПК G08G5/04, B64D45/04, 1999), в котором реализован режим раннего предупреждения, основанный на использовании цифровой модели рельефа, навигационных параметров и их прогнозировании.
1   г i 8
ivh 11 оио 00/U4, t3b4U/U4
Базы данных цифровой модели рельефа могут содержать значительные ошибки (шаг сетки, как правило, от 180 м до 900 м), обусловленные ограниченным размером памяти, а также трудностью и дороговизной получения более точных данных для коммерческих ВС. Таким образом, этот режим не обеспечивает необходимого уровня безопасности для полета ВС, особенно на малых высотах (менее 750 м).
Наиболее близким к настоящей полезной модели по технической сущности и решаемой задачи является устройство фирмы Honeywell, описанное в Product specification for the МК VI and МК VIII Enhanced Ground Proximity Warning System (EGPWS), p.51, содержащее датчик истинной скорости, датчик истинной высоты, блок датчиков конфигурации воздушного судна (ВС), блок определения полосы пропускания фильтра, блок оценки скорости изменения высоты, блок фильтрации скорости изменения высоты, блок формирования области сигнализации и блок сигнализации с их связями.
Известное устройство использует фильтрацию параметра скорость изменения истинной высоты, причем характеристики фильтра (постоянная времени или полоса пропускания) выбираются в зависимости от состояния датчиков конфигурации (шасси и закрылков), а также от текущей истинной скорости ВС.
Используемые параметры позволяют задать полосу пропускания фильтра в зависимости от текущего этапа полета. При выпущенных шасси и закрылках в посадочной конфигурации и относительно малой истинной скорости (характерной для этапов взлета и посадки), выбирается узкая полоса пропускания. При убранных шасси, убранных закрылках и крейсерской скорости выбирается более широкая полоса пропускания (меньшая постоянная времени по сравнению с первым случаем).
Таким образом, на этапах взлета и посадки сигнализация выдается с запозданием по отношению к крейсерскому этапу полета, то есть, при возникновении опасной ситуации на наиболее трудных этапах полета, пилоту дается меньшее время для ее исправления.
Задачей полезной модели является повышение безопасности полета на
малых высотах в пределах рабочего диапазона датчика истинной высоты.
Технический результат полезной модели заключается в уменьшении
времени запаздывания выдачи сигнализации при полете над плавно
Поставленная задача с достижением упомянутого выше технического
результата решается тем, что в устройство для формирования сигнала опасной
скорости сближения воздушного судна с подстилающей поверхностью,
содержащее датчик истинной скорости, датчик истинной высоты, блок датчиков
конфигурации воздушного судна (ВС), блок определения полосы пропускания
фильтра, блок оценки скорости изменения высоты, блок фильтрации скорости
изменения высоты, блок формирования области сигнализации и блок
сигнализации, причем выход датчика истинной скорости соединен с первым
входом блока определения полосы пропускания фильтра, выход датчика истинной
высоты соединен с первым входом блока формирования области сигнализации, с
первым входом блока сигнализации и через блок оценки скорости изменения
высоты с первым входом блока фильтрации скорости изменения высоты, к
второму входу которого подключен блок формирования коэффициентов фильтра,
выход блока датчиков конфигурации ВС соединен с вторым входом блока
определения полосы пропускания фильтра и с вторым входом блока
формирования области сигнализации, второй вход блока сигнализации подключен
к выходу блока формирования области сигнализации, третий вход подключен к
выходу блока фильтрации скорости изменения высоты, а выход является
выходом устройства, введены датчик навигационных параметров, блок памяти
цифровой модели рельефа, блок прогноза навигационных параметров и блок
динамического оценивания полосы пропускания фильтра, при этом блок памяти
цифровой модели рельефа связан двухсторонней связью с первым входом блока
прогноза навигационных параметров, к второму входу которого подключен датчик
навигационных параметров, а выход соединен с первым входом блока
динамического оценивания полосы пропускания фильтра, к второму входу
которого подключен выход блока определения полосы пропускания фильтра, а
выход соединен с входом блока фильтрации скорости изменения высоты.
Уменьшение времени запаздывания достигается путем расширения полосы пропускания фильтра (по отношению к минимально допустимой полосе, выбираемой на основе допусков на границы сигнализации режима), за счет прогнозирования характера поведения подстилающей поверхности вдоль трассы полета.
Выход датчика 1 истинной скорости соединен с первым входом блока 4 определения полосы пропускания фильтра. Выход датчика 2 истинной высоты соединен с первым входом блока 7 формирования области сигнализации, с первым входом блока 8 сигнализации и через блок 5 оценки скорости изменения высоты с первым входом блока 6 фильтрации скорости изменения высоты, выход датчика 9 навигационных параметров соединен с вторым входом блока прогноза навигационных параметров, первый вход которого связан двухсторонней связью с блоком 10 памяти цифровой модели рельефа. Выход блока 11 прогноза навигационных параметров соединен с первым входом блока 12 динамического оценивания полосы пропускания фильтра, второй вход которого подключен к выходу блока 4 определения полосы пропускания фильтра, а выход соединен с вторым входом блока 6 фильтрации скорости изменения высоты, выход которого соединен с третьим входом блока 8 сигнализации, второй вход которого подключен к выходу блока 7 формирования области сигнализации, а выход является выходом устройства.
Блоки 1-8 не имеют конструктивных особенностей по сравнению с прототипом. Блоки 9-11 - общеизвестны и широко используются в устройствах для выдачи сигнализации об опасной близости к земле.
Блок 12 обеспечивает динамическое формирование (через предустановленный интервал времени At) полосы пропускания цифрового фильтра в соответствии с информацией о высоте ВС над рельефом вдоль спрогнозированной траектории, принятой от блока 11, и значением граничной полосы пропускания фильтра, принятой от блока 4. Формирование осуществляется таким образом, что фильтр становится более инерционным при полете над сильнопересеченной поверхностью для подавления ложных сигнализаций и менее инерционным при полете над плавно изменяющейся поверхностью.
Устройство работает следующим образом.
С выхода блока 9 на второй вход блока 11 поступают текущие значения координат ВС (широта, долгота, высота), его пространственное положение (путевой угол, крен, тангаж), текущие скорости и ускорения ВС в трех плоскостях.
На основе принятой информации в блоке 11 прогнозируется траектория движения ВС (широта, долгота, высота над уровнем моря будущих точек ВС) на заранее установленную дальность Dprea в N дискретных точках. Число N выбирают таким, что , где m - целое число, большее 2.
Координаты точек спрогнозированной траектории, вычисленные на предыдущем шаге, передаются в блок 10, на основе которых по цифровой модели рельефа определяются и выдаются на первый вход блока 11 превышения рельефа в этих точках.
В блоке 11 формируется вектор Н, элементы которого представляют собой истинные высоты ВС в каждой точке спрогнозированной траектории и вычисляются как разность спрогнозированной высоты ВС (На) и превышения рельефа (Нг) в этой точке.
Вектор Н передается на первый вход блока 12. Оценка полосы пропускания фильтра в блоке 12 осуществляется следующим образом.
Вектор Н модифицируется таким образом, что высота в каждой точке с номером i определяется как
Далее модифицированный вектор высот Н преобразуется в вектор V в соответствии с выражением
В соответствии с общеизвестным алгоритмом быстрого преобразования Фурье (БПФ) вычисляется спектр вектора V. В результате получаем  спектральных составляющих
(-()-А:),где
Cj - спектральная составляющая с номером j,
N - количество значений в векторе V;
/- мнимая единица;
k - номер элемента в векторе V.
Находится номер М в амплитудном спектре, для которого отношение Pf/Psum достигает предопределенного порогового значения L, лежащего в пределах от О до 1 и задаваемого в зависимости от заданного уровня ложных срабатываний.
Pf(Ai/2) +  (Ai)/2 - суммарная мощность спектральных составляющих с
номерами менее М;
Psum(Ai/2) + j  ( - суммарная мощность сигнала.
Н На-Нг
Hi Hi-Hi
Vi Hi-Hi.i
Wh - полоса пропускания, определенная в блоке 4 на основе
информации о конфигурации ВС и текущей скорости полета.
Nf - количество отсчетов в спектре;
М - номер отсчета в спектре.
Осуществляется следующая проверка рассчитанной полосы пропускания. Если W  Wh, то W  wh, если w  ц  Wh, то w  ц  Wh, где ц - задаваемый коэффициент.
В блоке 6 устанавливаются коэффициенты цифрового фильтра на основе
рассчитанной полосы пропускания фильтра (на основе известных алгоритмов,
например, фильтр Баттерфорда, эллиптический фильтр (см. Р.В. Хемминг,
Цифровые фильтры) и осуществляется фильтрация скорости изменения
высоты.
Для оценки технического результата, достигаемого при осуществлении заявляемой полезной модели, было выполнено моделирование работы устройства при следующих исходных данных, At  5 с; Dpred  1 км;  .5; X  0.4, ц  10. Моделирование произведено для двух вариантов. Первый вариантполет над опасной подстилающей поверхностью с плавным увеличением рельефа. Второй вариант - безопасный полет по схеме в районе горного аэродрома.
Результаты моделирования при полете по первому варианту показали, что при использовании в устройстве-прототипе фильтра с фиксированной полосой пропускания потеря высоты до момента выдачи сигнализации после возникновения опасной ситуации составляет 100-200 м, что соответствует задержке в выдаче сигнализации порядка 4-8 с. В заявляемом устройстве с использованием динамического оценивания полосы пропускания фильтра указанная потеря высоты и соответственно задержка сокращаются в 5-7 раз.
Результаты моделирования работы устройства при полете по схемам взлета и посадки, приведенным в сборниках аэронавигационной информации, показали что фильтры с фиксированной полосой пропускания и с динамически изменяемой полосой имеют примерно одинаковый уровень ложных сигнализаций.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели является снижение в 5-7 раз задержки в выдаче сигнализации об опасной скорости сближения с подстилающей поверхностью без увеличения вероятности ложной сигнализации.