Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата
FLIGHT AND NAVIGATION SYSTEM OF A TRANSPORT AIRCRAFT

Изобретение относится к области приборостроения, а именно к пилотажно-навигационному оборудованию транспортных самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов.
Известна пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата [1], содержащая цифровую аппаратуру текущих пилотажно-навигационных параметров для определения авиагоризонта, измерения воздушной скорости, барометрической высоты, относительной высоты от радиовысотомера (АТП), аппаратуру измерения курса на основе гироскопического датчика и бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ) для вычисления координат курсо-воздушного счисления, осуществления пилотирования и навигации, блок переключения каналов (БПК), блок исполнения команд (БИК), систему управления летательным аппаратом (ЛА), блок приема-передачи команд (ППК), пульт управления на начальном (НПМ) и пульт управления на конечном (КПМ) пункте маршрута, блок сброса груза (БСГ), узел сброса груза (УСГ),   гироскоп направления ГН,  съемный блок выставки начального стояночного курса (БВК), блок задатчика курса/задатчика магнитного склонения (ЗК/ЗМС), блок коррекции курса (БКК), блок пилотажно-навигационных данных (БПД), при том, что конструкция блока БВК механически жестко подключается с помощью реперных штырей БВК к реперным отверстиям летательного аппарата ЛА,        при этом выход БПК подключен ко входу БИК, выход БИК подключен к системе управления летательного аппарата ЛА, выход БЦВМ подключен к первому входу БПК и к входу ППК, первый выход ППК подключен к первому входу БЦВМ, второй выход ППК подключен ко второму входу БПК, третий выход ППК подключен к третьему входу БПК и к входу БСГ, выход БСГ подключен к входу УСГ, блок ППК и пульт управления НПМ, блок ППК и пульт управления КПМ соединены между собой двухсторонней радиосвязью, выход БВК подключен ко входу блока ЗК/ЗМС, выход которого подключен к первому входу ГН, выход БКК подключен ко второму входу ГН, выход ГН подключен ко второму входу БЦВМ, выход БПД подключен к третьему входу БЦВМ, выход АТП подключен к четвертому входу БЦВМ.
Недостатком такой пилотажно-навигационной системы является необходимость ручного управления летательным аппаратом (ЛА) при посадке, с помощью наземного пульта управления.
Наиболее близкая по технической сущности  пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата [2] , содержит первый и второй автонавигаторы (АН), систему воздушных сигналов (СВС), радиовысотомер (РВ), блок переключения каналов (БПК), блок программы маршрута (БПМ), блок взлёта-посадки (БВП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), блок исполнения команд (БИК), систему радиосвязи с приёмником-передатчиком (ППК) для связи с пультом управления на начальном пункте маршрута (НПМ) и пультом управления на конечном пункте маршрута (КПМ), блок коррекции траектории на маршруте (БКТ), блок коррекции траектории посадки (БКП), приемник спутниковой навигационной системы (СНС), приемник радиодальномерной системы (РДС), работающий от трех и более наземных радиодальномерных систем, причем первый АН состоит из первой бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ-1), первой инерциальной системы (ИС-1) и первого канала БВП, а второй АН состоит из второй бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ-2), второй инерциальной системы (ИС-2) и второго канала БВП, при этом выход БПК подключен к входу ЦАП, выход которого подключен к входу БИК, выходы СВС, РВ, БПМ и ППК подключены к входам БЦВМ-1 и БЦВМ-2, выход ИС-1 подключен к БЦВМ-1 и к первому входу БВП, выход ИС-2 подключен к входу БЦВМ-2 и к второму входу БВП, выход которого соединен с входами ППК, БЦВМ-1 и БЦВМ-2, выход СНС соединен с входом А БКТ, выход РДС соединен с входом Б БКТ, первый выход БЦВМ-1 соединен с входом В БКТ и первым входом БПК, первый выход БЦВМ-2 соединен с входом Г БКТ, выход которого соединен с входом БЦВМ-1 и входом БЦВМ-2, второй выход БЦВМ-2 соединен с вторым входом БПК, БЦВМ-1 и БЦВМ-2 соединены между собой и с ППК двухсторонней связью,   первый вход БКП  соединен с вторым выходом БЦВМ-1, второй вход БКП соединен с третьим выходом БЦВМ-2, выход БКТ соединен с третьим входом БКП, выход которого подключен к отдельному входу БЦВМ-1 и отдельному входу БЦВМ-2, блок ППК и пульт управления НПМ, блок ППК и пульт управления КПМ соединены между собой двухсторонней радиосвязью. Эта система является прототипом заявленной.
Недостаток такой пилотажно-навигационной системы заключается в невозможности выполнить управляемую беспилотную безопасную посадку транспортного летательного аппарата по глиссаде на взлётно-посадочную полосу (ВПП) конечного пункта маршрута (КПМ), при отсутствии наземного глиссадного маяка.
Задачей предлагаемого решения является обеспечение беспилотной автоматической управляемой посадки транспортного летательного аппарата по расчётной глиссадной траектории на ВПП КПМ с применением дополнительного устройства  программирования траектории глиссады на основе блока математического программирования глиссады (БПГ).
Технический результат совпадает с задачей решения. Данный технический результат достигается в пилотажно-навигационной системе транспортного летательного аппарата, содержащей  автоматические навигаторы (АН) с инерциальными системами (ИС) для определения углов крена, тангажа, курса, инерциальных скоростей и координат местоположения, систему воздушных сигналов (СВС) для измерения воздушной скорости и барометрической высоты, аппаратуру для измерения относительной высоты посредством радиовысотомера (РВ), аппаратуру для определения путевой скорости и координат посредством инерциальных и радиосистем, блок переключения каналов (БПК), блок исполнения команд (БИК), систему радиосвязи с приёмником-передатчиком (ППК) связи с пультом управления на начальном пункте маршрута (НПМ) и пультом управления на конечном пункте маршрута (КПМ), причем выход БПК подключен к входу БИК через цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), блок программы маршрута (БПМ), блок взлёта-посадки (БВП), выполнены первый и второй автоматические навигаторы (АН), причем первый АН выполнен в составе первой бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ-1), первой инерциальной системы (ИС-1), второй АН выполнен в составе второй бортовой цифровой вычислительной машины (БЦВМ-2), второй инерциальной системы (ИС-2), причем выход ИС-1 подключен к входу БЦВМ-1 и к первому входу БВП, а выход ИС-2 подключен к входу БЦВМ-2 и ко второму входу БВП, выходы СВС, РВ подключены к входам БЦВМ-1 и БЦВМ-2, по одному из выходов БПМ и ППК подключены к входам БЦВМ-1, другие выходы БПМ, ППК подключены к входам БЦВМ-2, выход БВП подключен к входам БЦВМ-1, БЦВМ-2, ППК, выход БЦВМ-1 подключен к первому входу БПК, выход БЦВМ-2 подключен ко второму входу БПК, выход БПК подключен к входу цифро-аналогового преобразователя ЦАП, выход ЦАП подключен к входу БИК, один из выходов каждой БЦВМ-1 и БЦВМ-2 подключен к входу другой или БЦВМ-1, или БЦВМ-2. БЦВМ-1 и БЦВМ-2 соединены с ППК двухсторонней связью; выполнен канал коррекции траектории на маршруте  ЛА, состоящей из блока коррекции траектории (БКТ), приёмника спутниковой навигационной системы (СНС) и приёмника радиодальномерной системы (РДС), причём вход «А» БКТ подключен к выходу приёмника СНС, вход «Б» БКТ подключен к выходу приёмника РДС, вход «В» БКТ подключен к выходу БЦВМ-1, вход «Г» БКТ подключен к одному выходу БЦВМ-2, выход БКТ подключен к одному из входов БЦВМ-1 и БЦВМ-2, выполнен  канал коррекции траектории посадки ,состоящий из блока коррекции траектории посадки (БКП), работающего с БЦВМ-1, БЦВМ-2, БКТ, при этом первый вход БКП подключен к отдельному выходу БЦВМ-1, второй вход БКП соединён с другим выходом БЦВМ-2, третий вход БКП подключен ко второму выходу БКТ, выход БКП подключен к отдельному входу БЦВМ-1 и отдельному входу БЦВМ-2, блок ППК и пульт управления НПМ, блок ППК и пульт управления КПМ соединены между собой двухсторонней радиосвязью, введённый дополнительно  блок математического программирования глиссады (БПГ) соединён двухсторонней связью с БКП.
На фиг.1 представлена структурная блок-схема цифровой пилотажно-навигационной системы транспортного летательного аппарата.
Пилотажно-навигационная система (ПНС) транспортного летательного аппарата (фиг.1) содержит систему воздушных сигналов 1 (СВС)  [3], блок исполнения команд 2 (БИК) , блок переключения каналов 3 (БПК) , приемник-передатчик 4 (ППК)  системы радиосвязи с пультом управления на начальном пункте маршрута 5 (НПМ)  и пультом управления на конечном пункте маршрута 6 (КПМ), блок программы маршрута 7 (БПМ) , приёмник спутниковой навигационной системы 8 (СНС) , первую бортовую цифровую вычислительную машину 9 (БЦВМ-1) , радиовысотомер 10 (РВ) , первую инерциальную систему 11 (ИС-1)  [5,6], цифро-аналоговый преобразователь 12 (ЦАП), вторую бортовую цифровую вычислительную машину 13 (БЦВМ-2),  вторую инерциальную систему 14 (ИС-2), блок взлёта-посадки 15 (БВП), канал коррекции траектории на маршруте ЛА, состоящий из блока коррекции траектории маршрута 16 (БКТ) и приёмника радиодальномерной системы 17 (РДС); канал коррекции траектории посадки ЛА, состоящий из блока коррекции траектории посадки 18 (БКП)  и блока математического программирования глиссады 19 (БПГ) .  Выход 11 ИС-1  подключен к одному из входов 9 БЦВМ-1  и первому входу 15 БВП , выход 14 ИС-2  подключен к одному из входов 13  БЦВМ-2  и второму входу 15 БВП. Выходы 1 СВС и 10 РВ  подключены к входам 9 БЦВМ-1 и  13 БЦВМ-2 , по одному из выходов 7 БПМ , 4 ППК подключено к входам 9 БЦВМ-1, а другие выходы 7 БПМ , 4 ППК  подключены к входам 13 БЦВМ-2, выход 15 БВП  подключен к отдельным входам 9 БЦВМ-1 , 13 БЦВМ-2  и 4 ППК . Выход 9 БЦВМ-1 подключен к одному из входов 3 БПК. Выход 13 БЦВМ-2. подключен ко второму входу 3 БПК. Выход 3 БПК подключен к входу 12 ЦАП, выход 12 ЦАП подключен к входу 2 БИК. Один из выходов каждой из 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2  подключен к входу другой или 9 БЦВМ-1,  или 13 БЦВМ-2. Вход «А» 16 БКТ  подключен к выходу приёмника 8 СНС, вход «Б» 16 БКТ  подключен к выходу приёмника 17 РДС, вход «В» 16 БКТ подключен к выходу 9 БЦВМ-1, вход «Г» 16 БКТ подключён к выходу 13 БЦВМ-2, выход 16 БКТ подключён к одному из входов 9 БЦВМ-1 и 13 БЦВМ-2. Первый вход 18 БКП  подключен к отдельному выходу 9 БЦВМ-1, второй вход 18 БКП  подключен к отдельному выходу 13 БЦВМ-2, третий вход 18 БКП  подключен ко второму выходу 16 БКТ, выход 18 БКП  подключен к отдельному входу 9 БЦВМ-1 и отдельному входу 13 БЦВМ-2 , блок 18 БКП имеет отдельно двухстороннюю связь с 19 БПГ;    9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2  соединены с 4 ППК  двухсторонней связью. 4 ППК взаимодействует с помощью двухсторонней радиосвязи с наземными пультами 5 НПМ, 6 КПМ.
На фиг. 2 приведена карта полёта транспортного БПЛА с выдерживанием заданного курса, на фиг. 3 показана зона посадки на конечном пункте маршрута (КПМ), с условными обозначениями:
– стояночный курс,  – текущий курс,  – заданный курс,  – курс взлётно-посадочной полосы (ВПП), N, S, E, W – стороны света (север, юг, восток, запад), по – продольная ось ЛА, D – дальность, h – высота,
КТП – контрольная точка посадки, КТГ – контрольная тока глиссады,
А1 – координаты ЛА в автономном полёте, ТЗП-траектория захода на посадку.
Курсо-воздушная или инерциальная навигация
С1 – координаты ЛА, фактические, после коррекции от СНС или от 3-х РДС с помощью блока коррекции траектории – БКТ (погрешность автономного полёта – ).
Вычисление , далее полёт в автономном режиме по .
На борту ЛА – приёмник СНС, приёмник РДС – работающий от 3-х и более наземных радиодальномерных систем.
1
2
3
Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата работает следующим образом. При полете по маршруту с выдерживанием заданного курса  запрограммированные в БПМ 7 в цифровом виде координаты начального (НПМ), конечного (КПМ) и промежуточных пунктов маршрута, координаты трех или более наземных радиодальномерных станций РДС (), РДС (), РДС (),курс ВПП посадки на КПМ и запасных аэродромов, заданных значений курсов, скоростей, высот полета, углов крена, тангажа в полёте передаются в 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2. Посредством аппаратуры, входящей в состав пилотажно-навигационной системы, измеряются следующие текущие параметры транспортного летательного аппарата: углы крена, тангажа, курса, инерциальных скоростей, определяемых инерциальными системами 11 ИС-1  и 14 ИС-2, воздушная скорость и барометрическая высота от системы воздушных сигналов 1 СВС, высота полета от радиовысотомера 10 РВ. Данные параметры движения транспортного летательного аппарата передаются в 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2, где происходит сравнение этих сигналов с заданными в 7 БПМ параметрами траектории движения транспортного летательного аппарата и их корректировка, при этом географические координаты местоположения РДС передаются транзитом в 16 БКТ.
На основании полученных данных 9 БЦВМ-11 и  13 БЦВМ-2  производят расчёт координат местоположения – А1 в режиме автономного курсо-воздушного [1 ,3] и инерциального [2 ,4, 5, 6] счисления (для целей дублирования и сравнения), с приоритетом к инерциальным данным – , и производит корректировку заданного курса – .
На основании этого 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2  вырабатывают в цифровом виде директивные сигналы отклонения транспортного летательного аппарата от рассчитанного заданного курса, которые преобразуются в детекторные сигналы управления транспортным летательным аппаратом и поступают с выхода 9 БЦВМ-1  на один из входов 3 БПК , а также на вход «В» 16 БКТ  и с выхода 13 БЦВМ-2  на другой вход 3 БПК , а также на вход «Г» 16 БКТ.
Далее поступающий на один из входов 3 БПК детекторный сигнал поступает в цифро-аналоговый преобразователь 12 ЦАП , с выхода которого аналоговый сигнал подается в блок исполнения команд 2 БИК, который приводит в действие рулевые тяги, закрылки и т.д. до тех пор, пока не будет обнулен детекторный сигнал. Обнуление детекторного сигнала означает, что транспортный летательный аппарат вышел на рассчитанный заданный курс полета по расчётным данным автономного счисления. Выбор одного из двух АН, по детекторному сигналу которого должна осуществляться работа 2 БИК,  определяется указанием 4 ППК от пульта управления 5 НПМ на начальном пункте маршрута или пульта управления 6 КПМ на конечном пункте маршрута. Работа канала коррекции траектории ЛА в пилотажно-навигационной системе осуществляется следующим образом: координаты от приёмника спутниковой навигационной системы 8 СНС –  (С1) и сигналы дальности от приёмника радиодальномерной системы 17 РДС  –  (для целей дублирования и сравнения координат) поступают на вход «А» 16 БКТ от приёмника 8 СНС  и на вход «Б» 16 БКТ  от приёмника 17  РДС.
2
2
На основании этого в 16 БКТ  происходит сравнение координат определённых (фактических) от приёмника 8 СНС (С1) и автономного вычисленных курсо-воздушным и инерциальным счислением с определением погрешностей автономного счисления –  и их списания в 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2, при этом определяется заданный курс  и дальность – D до КПМ. Одновременно в 16 БКТ производится перерасчёт дальностей – , полученных от приёмника 17 РДС, в координаты ЛА и их сравнение с автономно вычисленными курсо-воздушным и инерциальным счислением с определением погрешностей автономного счисления по данным 17 РДС  – , после чего происходит их списание в 9 БЦВМ-1 и 13 БЦВМ-2, при этом определяется заданный курс –  и дальность – D´ до КПМ. Приоритет использования расчётов параметров ЛА от приёмников 8 СНС или 17 РДС отдаётся более помехоустойчивой и работоспособной системе в конкретном полёте. Одновременно происходит сравнение показаний с выдачей сигнала превышения допуска.
Таким образом. в 9 БЦВМ-1, 13 БЦВМ-2 производится решение математических задач по автономной курсо-воздушной и инерциальной навигации, а в канале коррекции траектории на маршруте в составе 16 БКТ  решаются задачи вычисления сигналов коррекции параметров от приемников 8 СНС  и 17 РДС  с расчетом заданного курса на КПМ и их передача в 9 БЦВМ-1, 13 БЦВМ-2  для проведения коррекции текущих параметров навигации БПЛА. Конечным результатом работы навигации пилотажно-навигационной системы в режиме коррекции траектории на маршруте является обеспечения точного выхода ЛА в зону конечного пункта маршрута (КПМ) для захода на посадку от контрольной точки посадки (КТП).
На фиг.4 приведена проекция траектории захода на посадку (ТЗП)  ЛА по горизонтальному (курсовому) каналу, а на фиг.5 проекция траектории посадки ЛА по вертикальному (высота от ВПП) каналу.
Работа канала коррекции траектории посадки от контрольной точки посадки КТП заключается в следующем. В блок 18  БКП от 9 БЦВМ-1, 13 БЦВМ-2 поступают вычисленные значения координат и высоты местоположения ЛА, сигналы коррекции от 16 БКТ  для выхода ЛА на осевую линию ВПП, координаты и курс ВПП КПМ, текущие и вычисленные значения параметров, в том числе углов текущего и заданного курса, углов авиагоризонта, скорости и др.  18 БКП производит расчет траектории посадки по горизонтальному и по вертикальному каналам, вырабатывает корректирующие сигналы отклонения, от курса и глиссады, которые поступают в 9 БЦВМ-1, 13 БЦВМ-2 и по которым происходит управление ЛА на траектории посадки.
9 БЦВМ-1, и 13 БЦВМ-2 осуществляют межмашинный обмен информацией, в том числе для осреднения вычислений, контроля работоспособности каждого АН и канала коррекции траектории маршрута на основе 16 БКТ от приёмников 8 СНС  и 17 РДС , канала коррекции траектории посадки на основе 18 БКП, с помощью их средств встроенного контроля на предмет отключения отказавшего. При превышении допустимых расхождений в вычисленных управляющих сигналах первого и второго АН и при расхождении значений параметров, вычисленных от 8 СН и 17 РДС , 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2  передают в 4 ППК  соответствующий сигнал, который транслируется далее на пульт управления 5 НПМ на начальном пункте маршрута и на пульт управления 6 КПМ на конечном пункте маршрута. На основании этого наземные службы принимают решение, каким образом осуществлять полет транспортного летательного аппарата.
Блок 15 БВП  принимает текущие значения углов крена, тангажа, курса и составляющих скорости непосредственно от 11 ИС-1 и 14 ИС-2 , разница сравниваемых величин параметров не должна превышать допустимых порогов, запрограммированных в блоке 15 БВП ; в случае их превышения 15 БВП  выдает сигнал превышения допустимого рассогласования в 9 БЦВМ-1  и 13 БЦВМ-2  для учета и в 4 ППК  для принятия решения наземными службами.
В связи с условиями эксплуатации транспортных БПЛА и возможным отсутствием наземного глиссадного  маяка в зоне посадки ЛА, в состав ПНС БПЛА дополнительно вводится блок математического программирования глиссады 19 БПГ, взаимодействующий двухсторонней связью с 18 БКП, с техническими параметрами программируемой глиссады, обеспечивающими точную безопасную посадку ЛА по   осевой линии  ВПП от контрольной точки глиссады КТГ до ВПП. На данном участке посадки корректирующие сигналы угловых и линейных отклонений и их производных отрабатываются блоком 18 БКП, обеспечивая полёт ЛА по запрограммированной в 19 БПГ глиссаде. При этом, учитывая высокую динамическую точность инерциальных систем, на данном участке детекторное управление полётом по глиссаде целесообразно выполнять при отключении радиокоррекции параметров управляющих сигналов.
Источники информации
1. Патент РФ №2707091 C1 на изобретение «Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата»; МПК G01C 23/00, (2006.1), 2019 г.
2. Патент РФ №2749214 C1 на изобретение «Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата»; МПК G01C 23/00, (2006.1), 2021 г.
3. Селезнёв В П. «Навигационные устройства»; М. Машиностроение, 1974.
4. Скуднева О. В. «Оптимальный алгоритм автоматической посадки транспортных летательных аппаратов с применением радиодальномерных систем»; Изд. Электронный научный журнал «Дневник науки» № 8, 2020.
5. Бромберг П.В. «Теория инерциальных систем навигации»; Изд. Наука. ГРФМЛ, Москва, 1979.
6. Ишлинский А.Ю. «Ориентация, гироскопы и инерциальная навигация»; Изд. М., Наука, 1976.