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], [2] содержащая аппаратуру текущих пилотажно-навигационных параметров (АТПН) для измерения курса, углов крена и тангажа, воздушной скорости, барометрической высоты, относительной высоты от радиовысотомера для определения координат посредством радиосистем, блок коммутации (БК), блок исполнения команд (БИК), систему радиосвязи с приемником-передатчиком (ПП) связи с пультом управления на начальном пункте маршрута (НПМ) и пультом управления на конечном пункте маршрута (КПМ), причем выход БК подключен ко входу БИК.
Недостаток такой пилотажно-навигационной системы характеризуется наличием членов экипажа для решения задач пилотирования летательным аппаратом (ЛА).
Наиболее близкой по технической сущности является пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата [3], содержащая инерциальные системы (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 радио систем, блок переключения каналов (БПК), блок исполнения команд (БИК), систему радиосвязи с приемником-передатчиком (ПП) 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 взлета-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-1и БЦВМ-2, по одному из выходов БПМ и ППК подключено 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 из БЦВМ-1и 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 ЛА, состоящий из блока коррекции траектории (БКТ), приёмника спутниковой навигационной системы (СНС) и приёмника радиодальномерной системы (РДС), при этом вход «А» БКТ подключён к выходу приёмника СНС, вход «Б» БКТ подключён к выходу приёмника РДС, вход «В» БКТ подключён к выходу БЦВМ-1, вход «Г» БКТ подключён к выходу БЦВМ-2, выход БКТ и подключён к одному из входов БЦВМ-1 и БЦВМ-2. Эта система принята за прототип.
Недостаток такой пилотажно-навигационной системы заключается в невозможности выполнить управляемую беспилотную посадку транспортного летательного аппарата на взлётно-посадочную полосу (ВПП) конечного пункта маршрута (КПМ).
Задачей и результатом предлагаемого решения является обеспечение беспилотной автоматической управляемой посадки транспортного летательного аппарата по рассчитываемой траектории на ВПП КПМ, с применением дополнительного канала коррекции траектории посадки на основе блока коррекции траектории посадки (БКП).
Технический результат совпадает с задачей решения. Данный технический результат достигается в пилотажно-навигационной системе транспортного летательного аппарата, содержащей инерциальные системы (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 подключено 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 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, при этом в неё дополнительно введён 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.
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 (СВС) 1, блок исполнения команд (БИК) 2, блок переключения каналов (БПК) 3, приемник-передатчик (ППК) 4 системы радиосвязи с пультом управления на начальном пункте маршрута (НПМ) 5 и пультом управления на конечном пункте маршрута (КПМ) 6, блок программы маршрута (БПМ) 7, приёмник спутниковой навигационной системы (СНС) 8, первую бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ-1) 9, радиовысотомер (РВ) 10, первую инерциальную систему (ИС-1) 11, цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) 12, вторую бортовую цифровую вычислительную машину (БЦВМ-2) 13, вторую инерциальную систему (ИС-2) 14, блок взлёта-посадки (БВП) 15, канал коррекции траектории ЛА, состоящий из блока коррекции траектории (БКТ) 16, и приёмника радиодальномерной системы (РДС) 17; кроме того в состав ПНС входит канал коррекции траектории посадки ЛА, состоящий из блока коррекции траектории посадки (БКП) 18, который взаимодействует с БЦВМ-1, БЦВМ-2, БКТ.
Выход ИС-1 11 подключен к одному из входов БЦВМ-1 9 и первому входу БВП 15, выход ИС-2 14 подключен к одному из входов БЦВМ-2 13 и второму входу БВП. Выходы СВС 1 и РВ 10 подключены к входам БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13, по одному из выходов БПМ 7, ППК 4 подключено к входам БЦВМ-1 9, а другие выходы БПМ 7, ППК 4 подключены к входам БЦВМ-2, выход БВП 15 подключен к отдельным входам БЦВМ-1 9, БЦВМ-2 13 и ППК 4. Выход БЦВМ-1 9 подключен к одному из входов БПК 3. Выход БЦВМ-2 13. подключен ко второму входу БПК 3. Выход БПК 3 подключен к входу ЦАП 12, выход ЦАП 12 подключен к входу БИК 2. Один из выходов каждой из БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13 подключен к входу другой или БЦВМ-1 9, или БЦВМ-2 13. Вход «А» БКТ 16 подключен к выходу приёмника СНС 8, вход «Б» БКТ 16 подключен к выходу приёмника РДС 17, вход «В» БКТ 16 подключен к выходу БЦВМ-1 9, вход «Г» БКТ 16 подключён к выходу БЦВМ-2 13, выход БКТ 16 подключён к одному из входов БЦВМ-1 и БЦВМ-2. Первый вход БКП 18 подключен к отдельному выходу БЦВМ-1 9, второй вход БКП 18 подключен к отдельному выходу БЦВМ-2 13, третий вход БКП 18 подключен ко второму выходу БКТ 16, выход БКП 18 подключен к отдельному входу БЦВМ-1 9 и отдельному входу БЦВМ-2 13. БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13 соединены с ППК 4 двухсторонней связью. ППК 4 взаимодействует с помощью двухсторонней радиосвязи с наземными пультами НПМ 5, КПМ 6.
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,
А1 – координаты ЛА в автономном полёте,
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 БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13. Посредством аппаратуры, входящей в состав пилотажно-навигационной системы, измеряются следующие текущие параметры транспортного летательного аппарата: углы крена, тангажа, курса, инерциальных скоростей, определяемых инерциальными системами ИС-1 11 и ИС-2 14, воздушная скорость и барометрическая высота от системы воздушных сигналов СВС 1, высота полета от радиовысотомера РВ 10. Данные параметры движения транспортного летательного аппарата передаются в БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13, где происходит сравнение этих сигналов с заданными в БПМ 7 параметрами траектории движения транспортного летательного аппарата и их корректировка, при этом географические координаты местоположения РДС передаются транзитом в БКТ 16.
На основании полученных данных БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13 производят расчёт координат местоположения – А1 в режиме автономного курсо-воздушного [1 ,4] и инерциального [3, 5, 6] счисления (для целей дублирования и сравнения), с приоритетом к инерциальным данным – , и производит корректировку заданного курса – .
На основании этого БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13 вырабатывают в цифровом виде дерективные сигналы отклонения транспортного летательного аппарата от рассчитанного заданного курса, которые преобразуются в директорные сигналы управления транспортным летательным аппаратом и поступают с выхода БЦВМ-1 9 на один из входов БПК 3, а также на вход «В» БКТ 16 и с выхода БЦВМ-2 13 на другой вход БПК 3, а также на вход «Г» БКТ 16.
Далее поступающий на один из входов БПК 3 директорный сигнал поступает в цифро-аналоговый преобразователь ЦАП 12, с выхода которого аналоговый сигнал подается в блок исполнения команд БИК 2, который приводит в действие рулевые тяги, закрылки и т.д. до тех пор, пока не будет обнулен директорный сигнал. Обнуление директорного сигнала означает, что транспортный летательный аппарат вышел на рассчитанный заданный курс полета. Выбор одного из двух АН, по директорному сигналу которого должна осуществляться работа БИК 2, определяется указанием ППК 4 от пульта управления НПМ 5 на начальном пункте маршрута или пульта управления КПМ 6 на конечном пункте маршрута. Работа канала коррекции траектории ЛА в пилотажно-навигационной системе осуществляется следующим образом: координаты от приёмника спутниковой навигационной системы СНС 8 –  (С1) и сигналы дальности от приёмника радиодальномерной системы РДС 17 –  (для целей дублирования и сравнения координат) поступают на вход «А» БКТ 16 от приёмника СНС 8 и на вход «Б» БКТ 16 от приёмника РДС 17.
2
2
На основании этого в БКТ 16 происходит сравнение координат определённых (фактических) от приёмника СНС 8 (С1) и автономного вычисленных курсо-воздушным и инерциальным счислением с определением погрешностей автономного счисления –  и их списания в БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13, при этом определяется заданный курс  и дальность – D до КПМ. Одновременно в БКТ 16 производится перерасчёт дальностей – , полученных от приёмника РДС 17, в координаты ЛА и их сравнение с автономно вычисленными курсо-воздушным и инерциальным счислением с определением погрешностей автономного счисления по данным РДС 17 – , после чего происходит их списание в БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13, при этом определяется заданный курс –  и дальность – D´ до КПМ. Приоритет использования расчётов параметров ЛА от приёмников СНС 8 или РДС 17 отдаётся более помехоустойчивой и работоспособной системе в конкретном полёте. Одновременно происходит сравнение показаний с выдачей сигнала превышения допуска.
Таким образом в БЦВМ-1 9, БЦВМ-2 13 производится решение математических задач по автономной курсо-воздушной и инерциальной навигации, а в канале коррекции траектории в составе БКТ 16 решаются задачи вычисления сигналов коррекции параметров от приемников СНС 8 и РДС 17 с расчетом заданного курса на КПМ и их передача в БЦВМ-1 9, БЦВМ-2 13 для проведения коррекции текущих параметров навигации БПЛА. Конечным результатом работы навигации пилотажно-навигационной системы является обеспечения точного выхода ЛА в зону конечного (очередного) пункта маршрута (КПМ) для захода на посадку.
Работа канала коррекции траектории посадки заключается в следующем. В блок БКП 18 от БЦВМ-1 9, БЦВМ-2 13 поступают вычисленные значения координат и высоты местоположения ЛА, сигналы коррекции от БКТ 17 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. БКП 18 производит расчет траектории посадки и вырабатывает корректирующие сигналы отклонения, от курса и глиссады, которые поступают в БЦВМ-1 9, БЦВМ-2 13 и по которым происходит управление ЛА на траектории посадки.
БЦВМ-1, 9 и БЦВМ-2 13 осуществляют межмашинный обмен информацией, в том числе для осреднения вычислений, контроля работоспособности каждого АН и канала коррекции траектории на основе БКТ от приёмников СНС 8 и РДС 17, канала коррекции траектории посадки на основе 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 СНС 8 и РДС 17, БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13 передают в ППК 4 соответствующий сигнал, который транслируется далее на пульт управления НПМ 5 на начальном пункте маршрута и на пульт управления КПМ 6 на конечном пункте маршрута. На основании этого наземные службы принимают решение, каким образом осуществлять полет транспортного летательного аппарата.
Блок БВП 15 принимает текущие значения углов крена, тангажа, курса и составляющих скорости непосредственно от ИС-1 11 и ИС-2 14, разница сравниваемых величин параметров не должна превышать допустимых порогов, запрограммированных в блоке БВП 15, в случае их превышения БВП 15 выдает сигнал превышения допустимого рассогласования в БЦВМ-1 9 и БЦВМ-2 13 для учета и в ППК 4 для принятия решения наземными службами.
Источники информации
1. Патент РФ на полезную модель № 145174 «Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата»; МПК G01C 23/00, (2006.1), 2014 г.
2. О.В. Скуднева “Беспилотные летательные аппараты в системе лесного хозяйства России” (Лесной журнал), № 6/342, 2014 г., Изд. САФУ, Архангельск.
3. Патент РФ на изобретение № 2685572 «Пилотажно-навигационная система транспортного летательного аппарата»; МПК G01C 23/00, (2006.1), 2019 г.
4. В.П. Селезнёв. «Навигационные устройства» М. Машиностроение, 1974.
5. Патент РФ на изобретение № 2465555 «Навигационный комплекс», МПК G01C 23/00, (2006.01), 2012 г.
6. Патент РФ на изобретение № 2463560 «Навигационный комплекс», МПК G01C 23/00, (2006.01), 2012г.