ИНФОРМАЦИОННАЯ КОМАНДНО-ЛИДЕРНАЯ СИСТЕМА

Полезная модель относится к авиационной технике (авионике) и может найти применение при создании пилотажно-навигационного оборудования самолетов и вертолетов для полетов на режимах высокоточного маневрирования в маловысотном полете над сложным рельефом местности, захода на посадку и посадки на малооборудованный аэродром в сложных условиях.
При полетах в сложных метеоусловиях на предельно малых высотах над сложным рельефом местности большое количество летных происшествий происходит из-за утери летчиками представления о своем пространственном положении и траекторном движении летательного аппарата (ЛА).
Известна информационная командно-лидерная система (см. патент РФ, №2145725, Кл. G 05 Д 1/00, 1995 г.), содержащая бортовую геоинформационную систему, систему предупреждения опасных состояний полета, многофункциональные индикаторы, вычислитель самолетовождения (вертолетовождения), комплексную систему управления летательного аппарата, соединенные между собой через интерфейсные модули, которая позволяет улучшить условия безопасности полета, точности траекторного маневрирования и повысить эффективность применения летательных аппаратов различного назначения,. Система предусматривает управление полетом ЛА с использованием электронной карты.
Однако этой системой не обеспечивается, в достаточной мере, заход на посадку и посадка летательного аппарата на оперативные малооборудованные аэродромы, когда управление усложняется из-за отсутствия наземной курсоглиссадной системы и сложных метеоусловий, а также из-за того, что в режиме посадки возникает необходимость интенсивного попеременного контроля параметров полета, располагаемых на приборной доске ПД летчика, и внекабинного пространства, т.е. не обеспечивается рациональное представление экипажу информации для сочлененного восприятия пространства внекабинной обстановки, параметрической и сигнальной информации, располагаемой на ПД летчика.
Задачей настоящей полезной модели является создание системы информационно-управляющего поля, дающего возможность летчику одновременно видеть главные пилотажные параметры, внекабинную обстановку и опасные состояния, формировать адекватные обстановке управляющие воздействия при полетах на режимах высокоточного маневрирования в маловысотном полете над сложным рельефом местности, захода на посадку и посадки на малооборудованный аэродром, и, следовательно, повысить безопасность полетов в сложных условиях.
Одним из условий высокой эффективности информационного обеспечения в режиме захода на посадку и управления посадкой является создание возможности для летчика получать необходимую информацию в форме, обеспечивающей ее максимально быструю и безошибочную переработку без отрыва от наблюдения за внешней визуальной обстановкой и
осуществлять необходимую коррекцию информации, поступающую от бортовых датчиков.
Поставленная задача достигается тем, что в информационно командно-лидерной системе, содержащей бортовую геоинформационную систему, модуль предупреждения опасных состояний полета, многофункциональные индикаторы, вычислитель системы самолетовождения (вертолетовождения), комплексную систему управления летательного аппарата, к вычислителю самолетовождения через интерфейсный модуль подключены коллиматорный авиационный индикатор, содержащий блок формирования изображения прицельной марки и другой информации, и электронно-оптический блок, и органы управления режимами, содержащие кнопку режима целеуказания, двухканальный кнюппель управления прицельной маркой, кнопку привязки прицельной марки к выбранному месту посадки и задатчик курса виртуальной взлетно-посадочной полосы, а программный модуль построения автономной глиссады для режимов целеуказания, коррекции информации и формирования курсоглиссадной информации скомлексирован с программным модулем самолетовождения.
При проведении патентных исследований не обнаружены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Считаем, что сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг.1 и 1а представлена блок-схема информационной командно-лидерной системы для обеспечения захода на посадку и посадки летательного аппарата на малооборудованный аэродром с использованием коллиматорнного авиационного индикатора и дополнительных органов управления режимами;
- на фиг.2 и 3 представлены информационные кадры коллиматорнного авиационного индикатора для целеуказания, захода на посадку и посадки для вариантов индикации вид «с самолета на землю» (фиг.2) и «с земли на самолет» (фиг.3);
- на фиг.4 и 5 представлены информационные кадры коллиматорнного авиационного индикатора для целеуказания, захода на посадку и посадки для вариантов индикации вид «с самолета на землю» (фиг.4) и «с земли на самолет» (фиг.5) на фоне земли.
Информационная командно-лидерная система (фиг.1 и 1а), содержит бортовую геоинформационную систему 1, модуль предупреждения опасных состояний полета 2, многофункциональные индикаторы 3, вычислитель системы самолетовождения (вертолетовождения) 4, комплексную систему управления летательного аппарата 5, интерфейсные модули 6, коллиматорный авиационный индикатор 7, органы управления режимами 8, блок формирования изображения прицельной марки 9, блок электронно оптический 10, кнопка режима целеуказания 11, двухканальный кнюппель управления прицельной маркой 12, кнопка привязки к месту посадки 13, задатчик курса БУШ 14, модуль построения автономной глиссады 15, модуль самолетовождения
16, комплекс бортового оборудования 17.
Бортовая геоинформационная система 1 предназначена для обеспечения модулей информационной командно-лидерной системы и подсистем комплекса бортового оборудования цифровой картографической информацией в реальном времени для формирования:
- электронной движущейся карты с отображением аэронавигационной обстановки;
- псевдообъемного изображения впереди лежащего рельефа подстилающей поверхности для ручного пилотирования в режиме маловысотного полета с обходом и облетом препятствий;
- профиля рельефа вдоль прогнозируемой траектории в режиме маловысотного полета и захода на посадку;
- параметров взлетно-посадочной плосы (ВПП) и автономной глиссады, курсоглиссадной информации и командных сигналов для полуавтоматического управления посадкой по автономной глиссаде на малооборудованный аэродром в сложных метеоусловиях с использованием картографической информации,
- управляющих сигналов и команд по уводу летательного аппарата от опасных состояний траекторного маневрирования при заходе на посадку и посадке с использованием картографической информации и комплексной системы управления.
Модуль предупреждения опасных состояний полета 2 предназначен для информационного обеспечения повышения уровня безопасности и эффективности полета, индикации опасных состояний траекторного управления и сигнализации об опасном сближении с землей.
Многофункциональные индикаторы 3 на базе графических процессоров и цветных жидкокристаллических дисплеев За и 36 предназначены для выдачи экипажу пилотажной командно-лидерной информации, навигационно-тактической обстановки и электронной аэронавигационной карты, а также информации о потребных управляющих воздействиях при пилотаже и высокоточном маневрировании на предельно малых высотах, при заходе на посадку.
Формирование мнемокадра пилотажной командно-лидерной информации обеспечивает сосредоточение на одном экранном индикаторе основной пилотажной информации, курсоглиссадной информации для управления посадкой на малооборудованный аэродром по автономной глиссаде и псевдообъемного изображения опасных состояний приближения к рельефу земной поверхности, а также информации о потребных управляющих воздействиях при пилотаже и высокоточном маневрировании на предельно малых высотах.
Мнемокадр основан на представлении нового вида авиагоризонта, в котором используются изображения символов своего летательного аппарата и «лидера» для индикации летчику наглядной командно-лидерной информацией о заданных параметрах движения по принципу "делай как я".
На мнемокадре аэронавигационной карты с навигационно-тактической обстановкой представляется картографическая информация в виде изображения аэронавигационной карты в выбранной системе координат и в выбранном масштабе, которое имеет цветовое кодирование в зависимости от зон опасных состояний вблизи рельефа и объектов местности. В режиме посадки на малооборудованный аэродром при отсутствии курсоглиссадных наземных радиотехнических средств и наличии бортовой цифровой картографической информации мнемокадры многофункциональных индикаторов могут использоваться летчиком для целеуказания места посадки и формирования автономной глиссады и параметров символа виртуальной взлетно-посадочной полосы, отображаемых на коллиматорном авиационном индикаторе 7.
Вычислитель самолетовождения 4 предназначен для информационного обеспечения решения задач самолетовождения, навигации, формирования автономной глиссады при посадке на малооборудованный аэродром, предупреждения опасных состояний полета, управления высокоточным маневрированием и формирования командно-лидерной информации с использованием данных комплекса бортового оборудования 17.
Функционирование вычислителя при взаимодействии с базой данных, индикаторами и органами управления режимами обеспечивается программным модулем построения автономной глиссады 15 для режимов целеуказания, коррекции информации и формирования курсоглиссадной информации и программным модулем самолетовождения 16.
Вычислитель 4 соединен с бортовой геоинформационной системой 1, системой предупреждения опасных состоянии полета 2, многофункциональными индикаторами 3, комплексной системой управления летательного аппарата 5, коллиматорным авиационным индикатором 7, органами управления режимами 8 и комплексом бортового оборудования 17 через интерфейсные модули 6, которые обеспечивают управление вводом-выводом и режимами работы.
Комплексная система управления 5 летательного аппарата обеспечивает режимы полуавтоматического и ручного управления заходом на посадку и посадкой по автономной глиссаде на малооборудованный аэродром и автоматическое управление уводом из опасных состояний полета.
Интерфейсные модули 6 предназначены для обеспечения управления вводом-выводом и режимами работы системы.
Коллиматорный авиационный индикатор 7 в режимах захода на посадку и управления посадкой обеспечивает оптическое совмещение инструментальной пилотажно-навигационной информации с внешней визуальной обстановкой, что дает возможность летчику исключить перенос взгляда, переаккомодацию и переадаптацию зрительного анализатора и, таким образом, уменьшить дискретность восприятия приборной информации при
отвлечении внимания от приборной доски на внекабинные объекты в процессе захода на посадку и посадки.
На коллиматорном авиационном индикаторе отображаются:
- пилотажно-навйгационные параметры полета, управляемые модулем самолетовождения 16,
- информация о положении автономной глиссады, о целеуказании места посадки и ориентира (геоточки), о коррекции информации, а также о курсоглиссадной информации, формируемые и управляемые модулем автономной глиссады 15 в режимах захода на посадку и посадки на малооборудованный аэродром.
Курсоглиссадная информация для посадки по автономной глиссаде отображается также на многофункциональном экранном индикаторе 3 на мнемокадре пилотажной командно-лидерой информации
Учитывая что, при посадке на оперативные малооборудованные аэродромы формирование глиссады затруднено, на коллиматорном авиационном индикаторе дополнительно индицируется прицельная марка 31, символ глиссады 32, символ виртуальной взлетно-посадочной полосы (ВПП) 33 и символ вектора текущей скорости 25, вычисляемый с учетом угла наклона траектории. Прицельная марка совмещается летчиком с началом взлетно-посадочной полосы (видимой через лобовое стекло) в интересах получения дополнительной информации, которая используется в бортовом вычислителе для формирования глиссады. При пилотировании с прицеливанием вектором скорости на этапе посадки прицельная марка совмещается с посадочным знаком ВПП, а при разбеге - с осевой линией видимой части ВПП.
Расположение и форма представления информации на коллиматорном авиационном индикаторе обеспечивают наиболее рациональные условия для восприятия внекабинной обстановки, параметрической и сигнальной информации, коррекции параметров траекторного движения и формирования образа полета, в соответствии с которым летчик осуществляет управляющие воздействия.
Информационные кадры, приведенные на фиг.2, 3, 4 и 5 содержат:
счетчики текущего и заданного значений скорости - поз. 18;
тенденцию изменения скорости - поз. 19;
счетчики текущего и заданного значений высоты - поз. 20;
вариометр - поз. 21;
шкалу тангажа - поз. 22;
шкалу курса - поз. 23;
силуэт самолета - поз. 24;
индекс «вектора скорости» - поз. 25;
счетчик дальности - поз. 26;
указатель радиовысоты - поз. 27;
подвижный «киль» - поз. 28;
шкалу крена - поз. 29;
индекс ограничений по перегрузке и скольжению - поз. 30;
прицельную марку - поз. 31;
символ глиссады - поз. 32;
символ взлетно-посадочной полосы (ВПП) - поз. 33;
счетчик давления на высоте аэродрома - поз. 34;
поле предупреждающей сигнализации - поз. 35.
Символ ВПП (поз. 33) формируется как трапеция, вершинами которой являются проекции на фронтальную плоскость габаритных точек выбранного в процессе целеуказания или рассчитанного аэродрома. Ширина аэродрома при расчете - 45 (40) метров, длина зависит от текущей конфигурации ЛА. При выполнении условия, что длина расчетного аэродрома не превышает фактическую (визуально видимую), возможно выполнение посадки.
Символ глиссады (поз. 32) представляет собой линию, соединяющую расчетное место посадки (точку касания расчетной ВПП) с текущей точкой вхождения в глиссаду (продолжение оси ВПП от точки среза с углом наклона), но не далее точки четвертого разворота на больших дальностях. Размеры перекрестия соответствуют размерам среза курсоглиссадной зоны на этой дальности. При захвате радиотехнических средств аэродрома (при их наличии) появляются курсовые и глиссадные рамки соответственно.
Органы управленш режимами 8 для формирования параметров виртуальной ВПП и автономной глиссады содержат:
- кнопку режима целеуказания 11, предназначенную для включения/выключения (сброса) режима целеуказания;
- кнюппель 12 потенциометрический или тензометрический, расположенный на штурвале под большим пальцем правой руки, двухкоординатные сигналы которого обеспечивают перемещение прицельной марки по двум осям;
- кнопку привязки к месту посадки (ориентиру) 13, расположенную на штурвале под большим пальцем левой руки, по которой происходит привязка ВПП и расчет автономной глиссады;
- задатчик курса 14 оперативной ВПП (потенциометрический или цифровой).
Возможно расположение кнюппеля, вышеуказанных кнопок и задатчика курса оперативной ВПП на автономном пульте и использование вместо кнюппеля любого двухкоординатного аналогового задатчика (аналогично механизму управления перекрестием). Кнюппель управления прицельной маркой используется при заходе на посадку, при пролете ВПП для коррекции параметров глиссады, при посадке и разбеге. Управление прицельной маркой может быть интегральным (движение марки со скоростью, пропорциональной величине отклонения кнюппеля) или позиционным.
Информационная командно-лидерная система функционирует следующим образом.
Управление полетом ЛА осуществляется экипажем с использоЕ.анием органов управления комплексной системы управления ЛА и органов управления режимами системы. В процессе полета информацию о полете экипаж получает от многофункциональных индикаторов, КАИ и визуально через КАИ о наземной обстановке.
Режим формирования параметров ВПП и автономной глиссады с помощью КАИ в автономном режиме используется для выбора точки посадки в том числе и на заранее неизвестный аэродром (при вынужденной посадке).
Включение этого режима производится в условиях визуальной видимости местности. В центре экрана КАИ появляется прицельная марка, отображающая положение линии визирования (ЛВ). С помощью кнюппеля летчик перемещает ее по экрану до визуального совмещения с началом выбранного для посадки участка местности. Координаты линии визирования (метки) рассчитываются в гиростабилизированной (от инерциальной системы ЛА) горизонтированной по крену и тангажу системе координат относительно строительной оси ЛА. Тем самым обеспечивается фильтрация собственных движений (колебаний) ЛА и обеспечивается удобство управления меткой. По окончании целеуказания летчик нажимает кнопку «привязка», тем самым, давая команду вычислителю системы самолетовождения на расчет координат ВПП и автономной глиссады. Исходя из гипотезы о кусочно-плоской и горизонтальной земле, а также на основании показаний радиовысотомера и сигналов о положении ЛВ в пространстве, вычислитель путем геометрических вычислений определяет положение начала ВПП относительно ЛА на «виртуальной» земной поверхности и, соответственно, дальность до среза ВГШ и ее боковое уклонение.
Первоначально курс ВПП принимается равным текущему курсу (или текущему курсу линии визирования). Далее возможно вычисление координат концов ВПП с учетом минимальной потребной при данной полетной конфигурации дальности пробега и ширины ВГШ и построение автономной глиссады с углом наклона 2,7°.
Рассчитанные параметры ВПП и автономной глиссады на момент отпускания кнопки «привязка»:
- пересчитываются вычислителем в экранную (для КАИ) систему координат для отрисовки ВПП и глиссады;
- пересчитываются координаты выбранной на «земле» точки в текущие координаты ЛВ и производится сопровождение ее символом ЛВ. Далее, используя задатчик курса ВПП, можно «развернуть» полосу для того, чтобы она лучше «улеглась» на землю (совпала с визуально видимой, не включала объектов, представляющих опасность для посадки ЛА) и т.п. Результаты расчета отображаются на КАИ.
Полученные данные используются при предварительном расчете маневра для захода на посадку с прямой и при оцениваемой положительно возможности его выполнения, а также используются для управления на «глиссаде». В процессе приближения к ВПП летчик, удерживая кнопку «Привязка», может корректировать расчетное положение ВПП, согласуя с визуально видимым, тем самым, парируя ошибки, получаемые за счет:
- оптических ошибок КАИ;
- ошибок целеуказания;
- вычислений в вычислителе самолетовождения,
а также за счет неплоскостности и негоризонтальности района аэродрома.
При невозможности выполнения захода на посадку с прямой без выхода за ограничения, модуль самолетовождения 16 строит маневр для вывода в точку третьего (четвертого) разворота. Далее процесс корректировки целеуказания повторяется аналогичным образом.
При недостаточной уверенности летчика в точности целеуказания заход на посадку может быть выполнен следующим образом. Выполняется целеуказание с последующим маневром для выхода в створ предполагаемой ВПП, осуществляется проход над «полосой» с точной стабилизацией эшелона (например, 500 м) бароинерциальным способом и одновременным замером и регистрацией радиовысоты. В процессе прохода створа «полосы» производится коррекция координат для уточнения места посадки и одновременно обрабатываются показания радиовысотомера для определения профиля рельефа по оси ВПП. Оцениваемая погрешность точечного расчета рельефа с учетом препятствий - 10 м (7 м - погрешность РВ + 3 м погрешность стабилизации эшелона бароинерциальным способом) может быть снижена при вычислении уклона поверхности математическими методами обработки. Одновременно может быть рассчитана величина барокоррекции для давления на высоте аэродрома.
Необходимо отметить, что изложенный выше метод коррекции координат местополжения летательного аппарата относится к методам относительной навигации, реализуемыми вычислителем 4 совместно с инерциальной системой, высотомерами и КАИ, без использования спутниковых и радиотехнических систем. Однако, необходимо рассмотреть более простой способ захода на посадку на малооборудованные аэродромы с заранее известными координатами.
Если заранее известны географические координаты, высота порога и курс ВПП использование спутниковой навигационной системы (СНС) или инерциальной системы совместно с СНС позволяют осуществить выход в район аэродрома и заход на посадку по заранее выстроенной автономной глиссаде. Далее предусмотрен захват РТС аэродрома и выполнение посадки. Однако, в случае, если аэродром не оборудован РТС или невозможно их использование (в случае отказа наземных или бортовых средств), то при наличии ошибок определения местоположения ЛА, маневр буден построен с ошибкой (до 50-100 м для недифференциального режима работы СНС). Коррекцию координат возможно осуществить с помощью второго приемника СНС, установленного на аэродроме, и соответствующей аппаратуры передачи данных на ЛА, а при их отсутствии по КАИ.
Для этого необходимо, чтобы при подходе к аэродрому и попадании расчетной точки приземления в поле зрения КАИ, вычислителем были выданы рассчитанные (ожидаемые) координаты аэродрома и параметры глиссады на КАИ вне зависимости от условий его визуальной видимости. При появлении визуально видимой полосы и ее несовпадении с расчетной летчик должен с помощью прицельной марки КАИ указать визуально видимое место посадки (середину среза ВПП). Далее по отклонению линии визирования от строительной оси ЛА (центра КАИ) вычисляется погрешность счисления координат и производится коррекция счисления местоположения ЛА.
На режимах формирования параметров ВПП, автономной глиссады, курсоглиссадной информации и командных сигналов для полуавтоматического управления посадкой по автономной глиссаде, а также управляющей информации по уводу летательного аппарата от опасных состояний
траекторного маневрирования при заходе на посадку и посадке с использованием картографической информации и комплексной системы управления используются база данных и алгоритмическое обеспечение бортовой геоинформацйонной системы 1, модуля предупреждения опасных состояний полета 2, индикаторов 3 и 7, модуля построения автономной глиссады 15, вычислителя 4, управляемых через интерфейсные модули 6.
Для раннего предупреждения столкновения самолета с земной поверхностью разработанным алгоритмом осуществляется:
1) Определение текущего положения самолета в системе координат цифровой карты.
2) Выбор из массива высот значения высоты рельефа местности под самолетом.
3) Расчет базовых параметров динамики маловысотного полета: времени и дальности упреждения, дальности сетки прогнозируемого полета, высоты начала зоны мониторинга рельефа (относительно уровня моря), шага сетки по дальности, геометрической высоты.
4) Генерация плоской сетки упреждения с учетом крена ЛА, создание криволинейной сетки при прогнозировании криволинейной траектории.
5) Натягивание сетки высот на рельеф.
6) Создание псевдорельефа с учетом скорости полета и выделение мажоранты в зоне виртуального обзора (в зоне мониторинга).
7) Селекция данных в зоне мониторинга:
- расчет координат наивысшей точки в системе координат сетки и массива единичных векторов дальности до точек в узлах сетки в системе координат наблюдателя;
- формирование массива точек в узлах сетки в экранной системе координат наблюдателя для отображения на индикаторе;
- расчет векторов нормалей к поверхности рельефа.
8) Формирование условий увода с переходом в режим автоматического управления уводом от продольной мажоранты зоны мониторинга рельефа местности.
9) Выделение высоты мажоранты в критической точке наибольшей высоты рельефа, (заданной высоты полета над опасной высотой мажоранты в зоне мониторинга) и решение задачи управления самолетом в маловысотном полете.
10) Выполнение графических процедур визуализации состояния процесса полета на экранном индикаторе и КАИ.
Таким образом, информационная командно-лидерная система, скомплексированная с коллиматорным авиационным индикатором (индикатором на лобовом стекле) и органами управления режимами системы, обеспечивает повышение точности и безопасности захода на посадку и посадки на малооборудованные аэродромы в сложных условиях путем целеуказания места посадки, формирование параметров ВПП и автономной глиссады с помощью КАИ в автономном режиме, формирование командных сигналов для управления посадкой по автономной глиссаде, коррекцию координат летательного апарата, прицеливание вектором скорости в курсо-глисадное окно при посадке, пилотирование с прицеливанием вектором скорости при посадке в ВПП, рациональное сочетание восприятия летчиком пространства
(внекабинной обстановки), параметрической и сигнальной информации, а также повышение регулярности полетов в сложных метеоусловиях посредством возможности снижения метеоминимумов самолетов и повышение точности и безопасности полетов на этапах взлета и посадки на малооборудованные аэродромы без категорирозанных радиотехнических и светотехнических систем взлета и посадки. Расположение, форма и состав параметрической и сигнальной информации, представленной на коллиматорном авиационном индикаторе и совмещенной с реальной внекабинной обстановкой, обеспечивают летчику наиболее рациональные условия восприятия и осмысления полученных данных для формирования образа полета, в соответствии с которым летчик осуществляет управляющие воздействия для коррекции параметров траекторного движения самолета.
Предлагаемая концепция построения системы информационно-управляющего поля смоделирована на эргономическом стенде НИИАО. Полученные результаты подтвердили эффективную работу летчика на режимах высокоточного маневрирования в маловысотном полете, заходе на посадку и посадке самолета, а также при решении спец. задач.
Данные технические предложения вызвали интерес специалистов КБ им. «Ильюшина", «Яковлева», «Туполева», «Бериева», ОАО «Сухого», и ММЗ «Микояна».
Ближайшая реализация предполагается на очередной модернизации оборудования самолета ИЛ-114.