КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА ПОДГОТОВКИ И КОРРЕКТИРОВКИ ПОЛЕТНЫХ ЗАДАНИЙ, НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
COMPREHENSIVE SYSTEM OF PREPARATION AND CORRECTION OF FLIGHT MISSIONS, NAVIGATION AND AIRCRAFT CONTROL

Изобретение относится к области авиационного приборостроения.
Известны способы и системы подготовки полетных заданий, навигации и управления, реализующие полет летательного аппарата (ЛА) по маршруту. Различные аспекты функционирования бортового оборудования ЛА при полете по маршруту, а также описание некоторых из систем, реализующих процедуры подготовки к полету ЛА по маршруту и обеспечивающих управление ЛА при полете по маршруту, приведены в источниках информации.
В работах [1, 2] описаны различные теоретические и практические аспекты управления ЛА при полете по маршруту. В патентах [3, 8] и работе [7] описаны наземные системы подготовки полетного задания (СППЗ) для ЛА. В патентах [4, 5, 6] описаны бортовые системы, обеспечивающие полет ЛА по маршруту в соответствии с полетным заданием (ПЗ).
Одной из функций СППЗ является планирование и построение маршрута полета ЛА из исходного пункта маршрута в конечный пункт маршрута в виде последовательности заданных координатами геодезических навигационных точек (НТ), соединенных пространственными прямолинейными траекториями. Параметры этого маршрута могут передаваться на борт ЛА при подготовке к вылету посредством переносного носителя данных (ПНД) или по соответствующим каналам информационного взаимодействия наземной и бортовой аппаратуры. На ПНД может быть записано несколько ПЗ с различными маршрутами, что обеспечивает, например, возможность выхода в различные области интереса, осуществления посадки на различные аэродромы, а также обход зон, запрещенных для пролета.
Учитывая цели предлагаемого изобретения, а также для большей определенности, в дальнейшем тексте заявки считается, что основным оборудованием, с помощью которого формируется и попадает в бортовые базы данных ЛА маршрут полета, являются СППЗ и ПНД.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является устройство, описанное в патенте [8], которое выбирается в качестве прототипа с учетом только существенных для предлагаемого изобретения признаков. Схема прототипа приведена на фиг.1
Устройство-прототип состоит из наземной СППЗ и бортового НК, связь между которыми осуществляется посредством ПНД, причем СППЗ состоит из универсального устройства записи информации на ПНД, универсального видеомонитора и комплекта универсальных устройств управления, соединенных входами-выходами с электронным блоком, включающим взаимосоединенные входами-выходами по универсальной магистрали информационного обмена вычислительно-логический функциональный модуль (ВЛФМ) базы данных картографической информации, ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации, ВЛФМ интерактивного формирования маршрута полета, ВЛФМ формирования полетного задания и ВЛФМ записи полетного задания на ПНД, а НК состоит из взаимосоединенных входами-выходами по каналу информационного обмена устройства считывания информации с ПНД, комплекта навигационно-пилотажных систем, бортовой радиотехнической системы связи и бортовой цифровой вычислительной системы, включающей взаимосоединенные входами-выходами по бортовой магистрали информационного обмена ВЛФМ объединенной базы данных, ВЛФМ формирования управляющих сигналов, ВЛФМ ввода-вывода и управления информационным обменом.
Пунктирные связи на чертеже между блоками 4-3-15 обозначают процедуру перемещения ПНД 3 из наземного устройства записи (УЗ) 4 в бортовое устройство считывания (УС) 15 и обратно. Кроме этого на чертеже обозначена пунктиром не обозначенная позицией и не входящая в состав устройства наземная радиотехническая система связи (НРСС), в которой предусмотрена возможность получения и передачи на борт ЛА кодированной информации для корректировки полетного задания.
Система-прототип функционирует следующим образом.
СППЗ 1, которая представляет собой наземную часть устройства, обеспечивает подготовку ПЗ, в том числе планирование и построение маршрута полета ЛА, а также производит инженерно-штурманский расчет с определением потребного запаса топлива. СППЗ 1 содержит комплект универсальных устройств управления 6 (клавиатура, манипуляторы различного типа), универсальный видеомонитор 5, универсальное устройство записи информации на ПНД 4 и электронный блок 7, который включает в себя взаимосвязанные по универсальной магистрали информационного обмена (УМИО) 8 ВЛФМ базы данных картографической информации (БДКИ) 9, ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ) 10, ВЛФМ интерактивного формирования маршрута полета ЛА (ФМП) 11, ВЛФМ формирования полетного задания (ФПЗ) 12 и ВЛФМ записи полетного задания на ПНД (ЗПЗ) 13. Электронный блок 7 является вычислительной системой, при этом все входящие в его состав ВЛФМ исполнены по стандартным вычислительным схемам на основе процессоров и запоминающих устройств.
Процедура подготовки ПЗ, в том числе планирование и построение маршрута полета, а также определение потребного запаса топлива на полет осуществляется оператором путем интерактивного взаимодействия с ВЛФМ БДКИ 9 и ВЛФМ БДАНИ 10 из состава ЭБ 7 посредством комплекта универсальных устройств управления (УУ) 6 и универсального видеомонитора (ВМ) 5.
Параметры маршрута и величина потребного запаса топлива в составе ПЗ передаются в бортовую часть устройства при подготовке к вылету посредством ПНД 3. ПНД 3 является носителем полетных заданий с долговременной перепрограммируемой памятью (типа флэш-карт).
Информационная взаимосвязь всего оборудования НК 2, который является бортовой частью устройства, осуществляется по КИО 14, включающему электрические, механические, электромеханические связи.
Введенное в ПНД 3 полетное задание ЛА - исходные данные для бортового оборудования, параметры навигационных точек (НТ) на маршруте, параметры возможных аэродромов базирования и другие данные, через устройство считывания информации с ПНД (УС) 15 и КИО 14 поступают на вход бортовой цифровой вычислительной системы (БЦВС) 18, а затем через бортовую магистраль информационного обмена (БМИО) 19 и ВЛФМ ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО) 22 в ВЛФМ объединенной базы данных (ОБД) 20.
Комплект НПС 16 включает инерциальные навигационные системы, спутниковые навигационные системы, системы воздушных сигналов и другие системы, измеряющие параметры полета ЛА, которые с входа-выхода НПС 16 через КИО 14 поступают на вход-выход БЦВС 18 и через БМИО 19 и ВЛФМ ВВУИО 22 в ВЛФМ формирования управляющих сигналов (ФУС) 21.
Бортовая радиотехническая система связи (БРСС) 17 обеспечивает обмен информацией между наземными пунктами управления и ЛА, в том числе данными, позволяющими, при необходимости, оперативно изменять маршрут ЛА.
БЦВС 18 является вычислительной системой, при этом все ВЛФМ, входящие в состав БЦВС 18, исполнены по стандартным вычислительным схемам на основе процессоров и запоминающих устройств.
ВЛФМ ВВУИО 22 через вход-выход осуществляет прием, преобразование и передачу данных во взаимодействующее оборудование через вход-выход БЦВС 18 по КИО 14. Другой вход-выход ВЛФМ ВВУИО 22 подключен к БМИО 19, осуществляющей информационный обмен между всеми ВЛФМ БЦВС 18.
ВЛФМ ОБД 20 выполнен на стандартном долговременном запоминающем устройстве, хранящем данные, поступившие с ПНД 3.
З
В ВЛФМ ФУС 21 путем сопоставления заданных координат НТ из ВЛФМ ОБД 21 и текущих координат ЛА из НПС 16 определяют заданный курс ЛА ψ, обеспечивающий полет ЛА по заданному маршруту.
Изобретение направлено на решение следующей технической проблемы: расширение функциональных возможностей системы и соответственно ЛА путем повышения степени автоматизации процессов управления ЛА при получении корректирующего распоряжения от наземного центра управления на изменение полетного задания в процессе полета ЛА.
Техническую проблему в предлагаемом изобретении предлагается решить путем записи на ПНД нескольких ПЗ, одно из которых является исполняемым, и дополнения системы наземным программно-аппаратным комплексом анализа реализуемости (ПКАР) полетного задания ЛА, информационная связь которого с бортовым НК обеспечивается не входящей в состав устройства наземной радиотехнической системой связи (НРСС), посредством которой на борт ЛА передается корректирующее распоряжение с номером ПЗ, подлежащего выполнению. Информационная связь ПКАР ПЗ с СППЗ обеспечивается посредством проводной линии связи. При этом предполагается, что перед вылетом ЛА задается номер исполняемого ПЗ (из числа записанных на ПНД), для которого выполнен соответствующий инженерно-штурманский расчет и определен бортовой запас топлива ЛА, а в произвольной точке маршрута номер ПЗ (также из числа записанных на ПНД) может быть скорректирован распоряжением, переданным НРСС и принятым БРСС ЛА. Поскольку после изменения номера ПЗ протяженность маршрута может возрасти настолько, что остатка топлива на борту ЛА может оказаться недостаточно для выполнения нового ПЗ, предварительно с использованием ПКАР ПЗ производят инженерно-штурманский расчет потребного запаса топлива для полета по скорректированному маршруту, по результатам которого делают вывод о допустимости перехода к выполнению нового ПЗ.
В состав ПКАР ПЗ входят универсальные интерфейсные устройства, в том числе видеомонитор и устройства управления (клавиатура и манипуляторы различного типа) соединенные входами-выходами с электронным вычислительным блоком (ЭВБ), включающим универсальную магистраль информационного обмена (УМИО), ВЛФМ базы данных картографической информации (БДКИ), ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ), ВЛФМ интерактивной корректировки полетного задания (ИКПЗ), ВЛФМ расчета потребного запаса топлива для полета по скорректированному маршруту (РПЗТ).
Все ВЛФМ, входящие в состав ЭВБ, исполнены по стандартным вычислительным схемам на основе процессоров и запоминающих устройств. Посредством проводных линий связи ПКАР ПЗ связан с наземной системой подготовки полетного задания и наземной радиотехнической системой связи.
С учетом только значимых для изобретения признаков, техническая проблема решается за счет того, что комплексная система подготовки и корректировки полетных заданий, навигации и управления летательного аппарата, состоящая из наземной системы подготовки полетного задания (СППЗ) и бортового навигационного комплекса (НК), связь между которыми осуществляется посредством переносного носителя данных (ПНД), причем СППЗ состоит из универсального устройства записи информации на ПНД, универсального видеомонитора и комплекта универсальных устройств управления, соединенных входами-выходами с электронным блоком (ЭБ), включающим взаимосоединенные входами-выходами по универсальной магистрали информационного обмена (УМИО) вычислительно-логические функциональные модули (ВЛФМ) базы данных картографической информации (БДКИ), ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ), ВЛФМ интерактивного формирования маршрута полета ЛА (ФМП), ВЛФМ формирования полетного задания и ВЛФМ записи полетного задания на ПНД, а НК состоит из взаимосоединенных входами-выходами по каналу информационного обмена (КИО) устройства считывания информации с ПНД, комплекта многофункциональных индикаторов, комплекта навигационно-пилотажных систем, радиотехнической системы связи и бортовой цифровой вычислительной системы (БЦВС), включающей взаимосоединенные входами-выходами по бортовой магистрали информационного обмена (БМИО) ВЛФМ объединенной базы данных (ОБД), ВЛФМ формирования навигационно-пилотажных параметров (ФНПП), ВЛФМ формирования отображаемой информации (ФОИ), ВЛФМ формирования управляющих сигналов (ФУС), ВЛФМ ввода-вывода и управления информационным обменом, дополнительно снабжена ПКАР ПЗ, в состав которого входят универсальные интерфейсные устройства, в том числе видеомонитор и устройства управления, соединенные входами-выходами с электронным вычислительным блоком (ЭВБ), включающим универсальную магистраль информационного обмена (УМИО), ВЛФМ базы данных картографической информации (БДКИ), ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ), ВЛФМ интерактивной корректировки полетного задания (ИКПЗ), ВЛФМ расчета потребного запаса топлива для полета по скорректированному маршруту (РПЗТ), причем ПКАР ПЗ посредством проводных линий связи связан с наземной СППЗ и НРСС.
Изобретение позволяет достичь следующего технического результата: расширение функциональных возможностей.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами:
На фиг.1 представлена блок-схема устройства-прототипа, на которой обозначены:
1 - система подготовки полетного задания (СППЗ);
2 - навигационный комплекс (НК);
3 - переносной носитель данных (ПНД);
4 - универсальное устройство записи информации на ПНД (УЗ);
5 - универсальный видеомонитор (ВМ);
6 - комплект универсальных устройств управления (УУ);
7 - электронный блок (ЭБ);
8 - универсальная магистраль информационного обмена (УМИО);
9 - вычислительно-логический функциональный модуль (ВЛФМ) базы данных картографической информации (БДКИ);
10 - ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ);
11 - ВЛФМ интерактивного формирования маршрута полета ЛА (ФМП);
12 - ВЛФМ формирования полетного задания (ФПЗ);
13 - ВЛФМ записи полетного задания на ПНД (ЗПЗ);
14 - канал информационного обмена (КИО);
15 - устройство считывания информации с ПНД (УС);
16 - комплект навигационно-пилотажных систем (НПС);
17 - бортовая радиотехническая система связи (БРСС);
18 - бортовая цифровая вычислительная система (БЦВС);
19 - бортовая магистраль информационного обмена (БМИО);
20 - ВЛФМ объединенной базы данных (ОБД);
21 - ВЛФМ формирования управляющих сигналов (ФУС);
22 - ВЛФМ ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО).
j
i
На фиг.2 проиллюстрирован вариант изменения полетного задания, когда проект корректирующего распоряжения о переходе к выполнению ПЗ вместо ПЗ формируется на участке маршрута, общем для обоих ПЗ.
j
i
На фиг.3 проиллюстрирован вариант изменения полетного задания, когда проект корректирующего распоряжения о переходе к выполнению ПЗ вместо ПЗ формируется на участке маршрута, не являющемся общим для первоначального и скорректированного ПЗ.
На фиг.4 представлена блок-схема предлагаемого устройства, позициями обозначены:
1 - система подготовки полетного задания (СППЗ);
2 - навигационный комплекс (НК);
3 - переносной носитель данных (ПНД);
4 - универсальное устройство записи информации на ПНД (УЗ);
5 - универсальный видеомонитор (ВМ1);
6 - комплект универсальных устройств управления (УУ1);
7 - электронный блок (ЭБ);
8 - универсальная магистраль информационного обмена (УМИО1);
9 - вычислительно-логический функциональный модуль (ВЛФМ) базы данных картографической информации (БДКИ1);
10 - ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ1);
11 - ВЛФМ интерактивного формирования маршрута полета ЛА (ФМП);
12 - ВЛФМ формирования полетного задания (ФПЗ);
13 - ВЛФМ записи полетного задания на ПНД (ЗПЗ);
14 - канал информационного обмена (КИО);
15 - устройство считывания информации с ПНД (УС);
16 - комплект навигационно-пилотажных систем (НПС);
17 - бортовую радиотехническую систему связи (БРСС);
18 - бортовую цифровую вычислительную систему (БЦВС);
19 - бортовую магистраль информационного обмена (БМИО);
20 - ВЛФМ объединенной базы данных (ОБД);
21 - ВЛФМ формирования управляющих сигналов (ФУС);
22 - ВЛФМ ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО);
23 - программный комплекс анализа реализуемости (ПКАР) ПЗ;
24 - универсальный видеомонитор (ВМ2);
25 - комплект универсальных устройств управления (УУ2);
26 - электронный вычислительный блок (ЭВБ);
27 - универсальную магистраль информационного обмена (УМИO2);
28 - ВЛФМ базы данных картографической информации (БДКИ2);
29 - ВЛФМ базы данных аэронавигационной информации (БДАНИ2);
30 - ВЛФМ расчета потребного запаса топлива для полета по скорректированному маршруту (РПЗТ);
31 - ВЛФМ интерактивной корректировки полетного задания (ИКПЗ).
На фиг.2 и 3 представлены рисунки, иллюстрирующие примеры корректировки маршрутов полетных заданий на различных этапах полета, анализ реализуемости которых обеспечивает устройство.
j
i
3
3
m
j
На фиг.2 проиллюстрирован вариант изменения полетного задания, когда проект корректирующего распоряжения о переходе к выполнению ПЗ вместо ПЗ формируется на участке маршрута, общем для обоих ПЗ. В этом случае с помощью ПКАР ПЗ вычисляется остаток топлива у ЛА в точке НТ, затем производится расчет потребного запаса топлива для полета по участкам маршрута от НТ до НТ и оценивается достаточность остатка топлива у ЛА для осуществления дальнейшего полета по маршруту ПЗ. Если потребный запас топлива больше остатка топлива на борту, делается вывод о нереализуемости такого варианта корректировки ПЗ, в противном случае указанный вариант корректировки санкционируется и на борт ЛА отправляется соответствующее корректирующее распоряжение.
j
i
На фиг.3 проиллюстрирован вариант изменения полетного задания, когда проект корректирующего распоряжения о переходе к выполнению ПЗ вместо ПЗ формируется на участке маршрута, не являющемся общим для первоначального и скорректированного ПЗ.
m
k+1
m
j
В этом случае с помощью ПКАР ПЗ определяется остаток топлива на борту ЛА на маршруте в точке изменения номера ПЗ, затем производится расчет потребного запаса топлива для полета по оперативному участку маршрута от точки изменения номера ПЗ до ближайшей к ней НТ, принадлежащей маршруту ПЗ (HT), и далее по участкам до конца маршрута в точку НТ, после чего производится оценка достаточности остатка топлива у ЛА для осуществления дальнейшего полета по ПЗ.
Расчет количества топлива, расходуемого на k-том участке маршрута, и средней массы ЛА на этом участке производится по следующим формулам:
хk
k
Ρ=С⋅q⋅S;
k+1
k
тk
m=m-G,
уk
где С - коэффициент подъемной силы ЛА на k-том участке полета;
g - гравитационная постоянная;
k
m - средняя масса ЛА на k-том участке полета;
S - площадь крыла ЛА;
k
q - средний скоростной напор на k-том участке полета;
k
ρ(Н) - плотность воздуха на средней высоте k-того участка полета;
k
V - средняя скорость ЛА на k-том участке полета;
хk
С - коэффициент лобового сопротивления ЛА на k-том участке полета;
х0
С - коэффициент лобового сопротивления ЛА при нулевом угла атаки;
А - коэффициент отвала поляры;
Ρ - суммарная потребная тяга двигателей ЛА;
Tk
G - расход топлива на на k-том участке полета;
k
Н - средняя высота полета ЛА на k-том участке;
PT
k
k
k
k
k(V, Н) - удельный расход топлива (на единицу силы тяги за единицу времени) при полете на высоте Н со скоростью V;
k
S - протяженность k-го участка полета;
k+1
m - средняя масса ЛА на (k+1)-ом участке полета.
m
Далее производится суммирование расходов топлива на всех участках маршрута от точки изменения номера ПЗ до финальной навигационной точки НТ. Если потребный запас топлива для полета по скорректированному ПЗ больше остатка топлива на борту ЛА, делается вывод о нереализуемости такого варианта корректировки ПЗ, в противном случае указанный вариант корректировки санкционируется, и на борт ЛА отправляется соответствующее корректирующее распоряжение.
Пунктирные связи на фиг.4 между блоками 4-3-15 обозначают процедуру перемещения ПНД 3 из наземного УЗ 4 в бортовое УС 15 и обратно. Штрих-пунктирная связь между блоками 12 и 26 обозначает проводную линию связи между СППЗ и ПКАР. Штрих-пунктирная связь между блоками 31 и наземной радиотехнической системой связи (НРСС) обозначает проводную линию связи между ПКАР и наземной радиотехнической системой связи.
Логика функционирования предлагаемой системы в ее ограничительной части соответствует вышеприведенному описанию системы-прототипа.
Вновь введенные в состав системы блоки обеспечивают системе дополнительные свойства и функционируют следующим образом.
i
j
i
j
i
j
j
j
j
i
j
Оператор ПКАР ПЗ 23, получив предварительное распоряжение о корректировке полетного задания, в процессе интерактивного взаимодействия, посредством УУ2 25 выводит на экран ВМ2 24 графические отображения маршрутов исходного (ПЗ) и скорректированного (ПЗ) полетных заданий, а затем вводит точку изменения номера полетного задания, принадлежащую маршруту ПЗ. В ВЛФМ РПЗТ 30 определяются координаты ближайшей к точке изменения номера полетного задания НТ, принадлежащей маршруту ПЗ (в случае совпадения участков маршрутов ПЗ и ПЗ, на которых располагается точка изменения номера задания, выбирается конечная НТ этого участка). При необходимости оператор ПКАР ПЗ с помощью УУ2 25 и ВФЛМ ИКПЗ 31, используя информацию от ВЛФМ БДКИ2 31 и ВЛФМ БДАНИ2 29 из состава ЭВБ 26, может назначить иную НТ из числа принадлежащих маршруту ПЗ в качестве начальной для перехода на скорректированное полетное задание. Такая необходимость может возникнуть, в частности, если рассчитанный автоматически оперативный участок маршрута будет пересекать зону, запрещенную для пролета. Затем производится расчет потребного запаса топлива, необходимого для полета по скорректированному маршруту с учетом переменного профиля маршрута ПЗ и закона изменения скоростей на его участках, для чего используются данные о ПЗ, полученные от СППЗ. Остаток топлива на борту ЛА в точке изменения номера задания также рассчитывают в ВЛФМ РПЗТ 30, вычитая из величины начальной заправки ЛА массу топлива, израсходованного на участках полета от аэродрома взлета до точки изменения номера полетного задания с учетом профиля полета и законов изменения скоростей, для чего используются данные о ПЗ, полученные от СППЗ. На основе сравнения остатка топлива на борту ЛА с рассчитанным потребным запасом топлива для полета по маршруту ПЗ принимают решение о реализуемости или нереализуемости скорректированного полетного задания.
Таким образом, на примере реализации показано достижение технического результата.
Источники информации:
1. Батенко А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов, М.: Советское радио, 1977. 256.
2. Воробьев Л.М. Воздушная навигация, М.: Машиностроение, 1984. 256.
3. Система планирования и подготовки полетных заданий тактической группы самолетов. Патент РФ на изобретение №2147141. ОАО "РПКБ", 1999.
4. Комплексная система подготовки и навигации ЛА. Патент РФ на изобретение №2434202. ОАО "РПКБ", 2010.
5. Устройство управления траекторией ЛА при полете по маршруту. Патент РФ на изобретение №2444044. ОАО "РПКБ", 2010.
6. Комплексная система навигации и управления ЛА. Патент РФ на изобретение №2481558. ОАО "РПКБ", 2011.
7. Усовершенствованная система планирования полетного задания. Сб. "Новости зарубежной науки и техники", ГОСНИИАС, №11, 1992, с. 11-15.
8. Комплексная система подготовки, навигации и управления ЛА. Патент РФ на изобретение №2614194. АО "РПКБ", 2015.