ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ БАРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

ОСОБЕННОСТИ СОВРЕМЕННЫХ БАРОМЕТРИЧЕСКИХ ДАТЧИКОВ И ВОЗМОЖНОСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

к.ф.-м.н., доцент, Искендеров Ислам Асад оглу магистрант Мурад Рюстaмов Гюндюз оглу

Кафедра: Авионика, Специализация: Электрические, радио и приборные аппараты летательного аппарата Азербайджан , г. Баку, Национальная Академия Авиации

Abstract. The article is devoted to the study of the features of modern barometric sensors and opportunities for their further use on aircraft without altimeter low altitude as the main portable or as a backup altimeter, with integration capabilities to the on-board information and computing systems avionics aircraft.

Проведенный статистический анализ показывает, что значительная часть авиапроисшествий происходит во время взлета и посадки ЛА. Это в первую очередь связано тем, что на этих этапах полета расстояние от земли малое и время для исправления ситуации ничтожно мало. Поэтому на малых расстояниях требуется более точный контроль координат ЛА. При этом также необходимо более точно измерить высоту полета, особенно при посадке ЛА, с точностью не хуже 1-2м.

В ЛА гражданской авиации (ГА) для измерения больших высот используют традиционные барометрические высотомеры, которые работают от статического давления (атмосферного давления), действующего на ЛА, а для измерения малых высот в основном радиовысотомеры. В последние годы практически на всех современных, и в том числе ЛА старого выпуска устанавливают бортовую аппаратуру спутниковой навигации, которая в гражданском режиме обеспечивает измерение высоты полета с погрешностью 15 -30м. Поэтому при посадке пользоваться результатами измерения спутникового приемника не возможно, или же необходимо иметь бортовое и наземное дополнение к аппаратуре, позволяющее довести точность измерения до 1м.

Широкое применение в ЛА ГА нашли радиовысотомеры (РВ) малых высот, принцип действия которых основан на измерении времени прохождения радиосигнала до поверхности Земли и обратно. По виду излучения делятся на РВ с непрерывным излучением и импульсные.

Наличие мертвой зоны, радиус которой определяется длительностью излучаемого зондирующего импульса,является причиной невозможности применения импульсных РВ для измерения сверхмалых высот полета ЛА. Так, например, если длительность зондирующего импульса т = 100 нс, то мертвая зона такого высотомера Нмз=ст/2=15 м. Для уменьшения мертвой зоны необходимо уменьшить т, а при этом потребуются очень широкополосные приемники и усложняет аппаратуру [1].

Поэтому для измерения малых высот на ЛА ГА применяют РВ с непрерывным излучением. Из-за больших габаритов и массы применение РВ на малых ЛА становится не эффективным. А отсутствие высотомера уменьшает безопасность полетов, особенно при взлете и посадке.

С учетом ограничений присущих радиовысотомерам и традиционным барометрическим высотомерам, а также бортовой спутниковой аппаратуре, было проведено исследование особенностей современных методов и средств измерения дальности, и возможностей их применения на борту ЛА.

В современных средствах измерения расстояния, основанных на измерении задержки зондирующего (радио ил оптического) сигнала, распространяющегося в направлении до объекта и обратно, как правило, используются импульсный, временной, частотный, фазовые и др. методы.

Среди современных средств измерения дальности особое место занимают лазерные, инфракрасные, ультразвуковые и радиодальномеры.

Как было выше отмечено, применение радиовысотомеров на малых ЛА становится не

эффективным, поэтому изучение показателей других средств и исследование возможностей их практического применения на ЛА является основной целью данной работы.

Большинство моделей лазерных дальномеров небольшие по своим размерам, не только позволяет померить расстояние, но и вычислить длину периметра, рассчитать площадь, а некоторые модели позволяют определить высоту объекта. Например, лазерные дальномеры производства компании Leica Швейцарии модели Disto работающие на длине волны ^=0,635 мкм, в зависимости от модификации позволяют измерить дальность до 60м (модель Disto D2) и 200м ( модели Disto D510 и Disto D810), и при этом имеют разные технико-экономические показатели, позволяющие в зависимости от поставленных требований выбрать ту или иную модификацию.

Одними из основных достоинств последних моделей лазерных дальномеров является наличие встроенного цифрового видоискателя и встроенного модуля BLUETOOTH, который позволяет без кабеля производить экспорт данных непосредственно в программы MS Word, MS Excel, AutoCad, тем самим интеграцию бортовую измерительные системы ЛА. Для построения всепогодного высотомера необходимо использование лазерного дальномера с длиной волны 0,85 мкм (ближний ИК).

Но главным недостатком, с точки зрения применения на борту ЛА является узкий диапазон рабочих температур (0°С до + 40°С), что требует специальных мер по температурной защите при установке на борту ЛА.

Инфракрасный (ИК) дальномеры как разновидность оптических дальномеров измеряет расстояние до препятствия при помощи ИКизлучения. Широко распространенные модели ИК дальномеров, как правило, состоят из излучателя, приемника и электронного блока для формирования и приема ИК импульсов. На практике в основном используют ИК дальномеры ближнего ИК (0,7 '2,5мкм) диапазона.

Одним из распространенных моделей ИК дальномеров является GP2Y0A41 компании Sharp. Дальномер может использоваться для объезда (на летательных аппаратах для облета) препятствий и ориентирования на местности. Выводом является аналоговый сигнал, с уровнем напряжения, зависимым от расстояния до цели в установленном направлении. Характеристики сенсора такие: напряжение питания - 4,5'5,5В; потребляемый ток - 30'40мА; диапазон расстояний -4'30см.

Одним из наиболее эффективных средств для измерения дальности и в том числе высоты, является ультразвуковые дальномеры. Принцип работы ультразвукового дальномера основан на испускании ультразвука и его отражения от впереди находящихся предметов. Исходя из времени задержки t¡ звука, по формуле Нмз = с t¡ /2, можно рассчитать расстояние.

Наиболее перспективными образцами таких дальномеров являются приборы из семейства Arduino. С учетом технико-экономических показателей дальномер марки HC-SR04, способный измерять расстояние в диапазоне 2-450см, является самым практичным для использования.

С точки зрения широкого диапазона и достаточной точности измерения особый интерес представляет показатели и возможности датчиков и сенсоров, которые в настоящее время находят широкое применение в мобильных телефонах и других средствах общего назначения, созданные благодаря успехам микроэлектроники [2].

Среди таких датчиков можно выделить следующие:

1. Proximity Sensor; 2. Accelerometer; 3. Light Sensor; 4. Gyroscope Sensor; 5. Magnetic Field Sensor.

Среди перечисленных датчиков современные барометрические датчики давления занимают особое место, т.к. эти датчики позволяют измерить высоту с точностью не хуже 1-2 м, и позволяют использовать их как модуль дополнения к спутниковым приемникам. Среди барометрических датчиков особо можно выделить датчики типа "БМП-180" представляющие собой сенсор, который более корректно определяет барометрическую высоту, в отличие от традиционных барометрических высотомеров, устанавливаемых на борту ЛА.

Датчик типа "БМП-180" также помогает с позиционированием объекта. Такие барометры стали появляться в смартфонах совсем недавно, и может уменьшить время подключения к сигналу GPS. Встроенный барометр измеряет атмосферное давление в текущем местоположении владельца смартфона и определяет высоту над уровнем моря. Многие флагманские смартфоны сегодня оснащаются не только приемниками GPS и ГЛОНАСС, но и барометром, благодаря чему захват сигнала от спутника и определение первоначального местоположения происходит мгновенно. Возможности такого барометра позволяют создавать

миниатюрный легко встраиваемый и интегрируемый бортовой барометрический высотомер с большой точностью и расширенными функциональными возможностями.

Принцип работы датчика, где определение разницы давления может быть пересчитано несколько раз в секунду, позволяет четко определять скорость перемещения вверх и вниз, то есть использовать навигацию не только в горизонтальной плоскости, но и в вертикальной. Благодаря этого, получается объемная навигация и в тех случаях, когда недостаточно показателей обычного GPS-навигатора (ошибки порядка 10 ' 30м), можно пользоваться возможностями этого измерителя.

Обычно подобные датчики включают в себя барометрический датчик давления и систему обработки данных, а их размеры находятся в пределах 3х3х1 мм. Крошечный сенсор реагирует на изменения по высоте с точностью до 50 см. Методика измерения реализована путем сравнения внешнего атмосферного давления по отношению к вакуумной камере внутри датчика. В миниатюрном корпусе устройства установлены вакуумная камера и сенсоры, встроенный микропроцессор, усилитель, цифровой сопроцессор и элемент энергонезависимой памяти [2].

Последние годы появились модели барометрических датчиков типа BMP 280, с более улучшенными показателями. Компания BOSCH уже в 2015 году начала производить BMP 280 Digital Pressure sensor [3]. Сравнительные характеристики датчиков "ВМП-180" и BMP 280 приведены в таблице 1. Особенно следует отметить ключевые параметры (возможности) BMP 280 перечисленные ниже:

- Диапазон давлений - 300...1100 ГПа (экв. к +9000...-500 м выше/ниже уровня моря) ;

- Упаковка - 8-пин LGA metal-lid (размеры: 2,0х2,5 мм2 , высота 0,95 мм);

- Относительная точность - + 0 . 1 2 ГПа, экв. к + 1 м (950...1050 ГПа в 25°С);

- Абсолютная точность - ± 1 ГПа (950 ... 1050 ГПа, 0...+40°С) ;

- Температурный коэффициент смещения - 1,5Па/К ,экв. к 12 см/К (25 ... 40°С В 900ГПа) ;

- Цифровые интерфейсы -/ 2 С (выше 3,4 МГц) ; SPI (3 и 4 проводы , выше 10 МГц) ;

- Потребляемый ток - 2,7цА в частоте выбора 1 Гц ;

- Диапазон температур - -40 ... +85 °С .

Применение:

- Усиление GPS навигации (например, улучшения времени до первого исправления, счисление итд.) ;

- Крытая навигация (обнаружение пола и лифта) ;

- Открытая навигация (досуг и спорт применение) ;

- Прогноз погоды ;

- Применение медико-санитарной помощи (например, спирометрия) ;

- Индикация вертикальной скорости .

Tаблица 1. Параметры БМП 180-280

ПАРАМЕТРЫ ВМР 180 ВМР 280

Размеры 3,6 х 3,8 мм 2,0 х 2,5 мм

Минимальное напряжение питания (VDD) 1,80 В 1,71 В

Минимальное напряжение питания ввода-вывода (VDDЮ) 1,62 В 1,20 В

Потребляемый ток (максимальное синусоидальная мощность 3 Па) 12цА 2,7цА

Максимальная синусоидальная мощность 3 Па 1,3 Па

Разрешение давления 1 Па 0,16 Па

Температурное разрешение 0,1°С 0,01°С

Интерфейсы I2C I2C & SPI

Режим измерения только Р или Т, защищенное Р и Т. защищенное или периодическое

Скорость измерения выше 120 Hz выше 157 Hz

Фильтры нету 5 канал

Как известно среднее изменение температуры с подъемом на высоту до 11000 м по стандартной атмосфере учитывается с помощью температурного градиента высоты тв = 0, 0 0 65 К/ м. Это зависимость температуры от высоты имеет вид :

Т = Т 0-тв Н

С учетом зависимости (1), после интегрирования левой части уравнения в пределах от р0 до р , а правую - в пределах от 0 до Н, получается стандартная барометрическая формула для высот до 11000м :

во

= Ро [

Решением формулы (2) относительно высоты Н, получается стандартная гипсометрическая формула:

Н = ^

Т„

_ /"М а О VPo/

для Н < 1 1 0 0 0 м

Эта формула показывает, что при известных р0 , Т 0 можно измерить высоту как функцию от давления р. Обычно давление на высоте Н полета измеряют манометром абсолютного давления, шкала которого отградуирована в единицах высоты. Такой манометр показывает высоту относительно среднего уровня моря [1,4].

Иногда используются приближенные гипсометрические формулы Лапласа, в которых температура Т на высоте полета заменяется средней температурой столба воздуха высотой Н согласно выражениям:

Т ср = ^ для Н < 1 1 0 0 0 м

Согласно уравнению состояния газа ( ), после интегрирования можно получить

барометрические формулы Лапласа:

Зон

р = р 0/ %дТср для Н < 1 1 0 0 0 м

В этом случае гипсометрические формулы имеют вид:

Н = —7Ср/п^ для Н < 1 1 0 0 0 м

9о р V

Приведенные формулы показывают, что используя формулы Лапласа, и при этом задавая значение Т0 для местности, вручную или автоматически, с помощью автономного вычислительного блока можно получать необходимые воздушные данные и главное, значение высоты.

Из формул видно, что при известных значениях p0 и T0 , с учетом значения Т ~ -57°С (216,65°К) при Нмакс=11км для ЛА ГА, можно вычислять Н по значению давления, соответствующего данной высоте.

Проведя вычисления на основании формулы (1) с учетом температурного диапазона рассматриваемых барометрических датчиков давления при температуре -40°С можно определить максимальную высоту на которой может функционировать датчик. Если принять Т0 =18°С получим Н«8950м, которое вполне соответствует паспортным данным и означает, что датчик успешно может применяться на ЛА с высотами полетов ниже 8500м.

Функциональные возможности рассмотренных барометрических модулей позволяет создавать малогабаритный высотомер с возможностями позиционирования места ЛА на малых высотах, что расширяет возможности бортовой навигационной аппаратуры при взлете, посадке, а так же при полете на малых высотах, в частности при решении задач предупреждения опасного приближения к земле.

Применение высокоточных датчиков первичной информации и вычислителей позволяет решать сложные алгоритмы статики и динамики атмосферы с учетом изменения плотности воздуха вследствие скоростного напора при больших скоростях полета и получать большой объем выходной информации с малыми погрешностями [5,6].

Как было отмечено выше с помощью такого модуля можно измерить непосредственно высоту полета, внешнюю температуру, также вертикальную скорость. Путем интегрирования

блока барометрического датчика в пилотажно-навигационную систему воздушных сигналов ЛА, можно получить и дополнительные параметры полета (рис 1.).

Датчики

величин

зад

Рн —

Система Бспдушньюанкыг —

Рп __

Тт __

11

к ч

II

Указатели,

в систему автоматического управления

ДН- Нзад- Н

V

AV

м

¿м

тн

Д и др.

Рис 1. Блок-схема пилотажно-навигационной системы воздушных сигналов

Анализ возможностей существующих методов и современных средств основанных на этих методах показывает, такие малогабаритные и высокоточные лазерные, ИК, барометрические, ультразвуковые дальномеры успешно могут применяться на борту малых ЛА, на которых в силу разных обстоятельств отсутствуют высотомеры, или же как резервный высотомер, и в том числе решения различных навигационных задач, при полетах на малых высотах. Анализ показателей изученных дальномеров и некоторые предварительные расчеты показывают, что некоторые модификации таких дальномеров могут успешно применяться как на борту малых летательных аппаратов, так и на магистральных самолетах, в качестве основного или резервного высотомера.

В заключение можно отметить, что из рассмотренных средств и датчиков для измерения высоты, наиболее подходящим являются современные малогабаритные барометрические модули, которые очень легко могут применяться на любых видах ЛА, особенно на малых, на которых отсутствуют высотомеры малых высот, и при этом могут успешно интегрироваться в бортовую навигационную аппаратуру ЛА [5,6]. Следует отметить, что одними из главных особенностей миниатюрных барометрических модулей является возможность реализации применения на борту ЛА, без вмешательства в его конструкцию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Аникин А.М., Белкин А.В. и др. Воздушная навигация и аэронавигационное обеспечение полетов. Учеб., М.,Транспорт, 1992, 295с.

2. Сафаров Г., Датчики и сенсоры современных мобильных устройств, [Электрон. ресурс]:иКЬ: http://www.infocity.az/2013/07/ датчики и сенсоры/

3. BOSCH sensortec, BMP280 "Digital Pressure Sensor" datasheet, BST-BMP280-DS001-11, 2015. - 50 c.

4. В.Г.Воробьев, В.В.Глухов, И.К.Кадышев "Авиационные приборы, информационно -измерятельные системы и комплексы", Учеб., М., Транспорт, 1988. -391 с.

5. Григорьев В.В., Козис Д.В., Коровьяков А.Н., Литвинов Ю.В. Принципы построения пилотажно-навигационных комплексов на основе интегрированной модульной авионики. Изв.Вузов. Приборостроение. Т.52,№11, М., 2009, ст.7-11.

6. Козлова О. А., Тюрина М. М. Принципы и схема построения системы измерения давления и скорости его изменения в магистральном самолете. Электронный журнал «Труды МАИ». Вып. № 68, М., 2012, ст. 1-18.