СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРАЕКТОРИЕЙ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ПРИ ПОЛЕТЕ ПО МАРШРУТУ
METHOD OF CONTROLLING TRAJECTORY OF AIRCRAFT FLYING IN ROUTE

Предлагаемый способ предназначен для применения в области авиационного приборостроения, в частности в пилотажно-навигационном оборудовании летательных аппаратов (ЛА).
Известны способы управления ЛА, реализующие полет ЛА по маршруту маршрутным методом. Эти способы обеспечивают выработку управляющих сигналов, подаваемых на органы управления угловым положением ЛА с целью пролета заданного маршрута, состоящего из линий минимального расстояния, соединяющих заданные перед полетом навигационные точки.
Каждая из указанных линий представляет собой на соответствующем этапе полета линию заданного пути (ЛЗП). Основной целью полета маршрутным методом является пролет всего маршрута с максимально возможной точностью, т.е. обеспечение на всем маршруте минимального отклонения ЛА от каждой из ЛЗП.
Теоретические основы таких способов и описание некоторых из них приведены в следующих работах:
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. Гуськов Ю.П. Дискретно-непрерывное управление программным выведением самолетов, М.: Машиностроение, 1987. 128.
4. Красовский Н.Н. Теория управления движением, М.: Наука, 1968. 476.
5. Рогожин В.О., Синеглазов В.М., Фiляшкiн М.К. Пiлотажно-навiгацiйнi комплекси повiтряних суден, К.: Книжкове видавництво НАУ, 2005. 316 (на украинском языке).
6. Черный М.А., Кораблин В.И. Самолетовождение, М.: Транспорт, 1973. 368.
7. Черный М.А., Кораблин В.И. Воздушная навигация, М.: Транспорт, 1983. 384.
Из известных способов наиболее близким по технической сущности является способ, описанный в вышеупомянутой книге [5] "Пилотажно-навигационные комплексы воздушных судов" в параграфе 7.8. Данный способ выбирается в качестве прототипа.
Рисунок, характеризующий прототип, изображен на стр.223 указанной книги (рис.7.34), а его аутентичная копия представлена на фиг.1. материалов заявки.
Как следует из рисунка и содержания параграфа 7.8 указанной книги, в прототипе построение траектории полета ЛА по маршруту маршрутным методом зависит от величины бокового отклонения ЛА от текущей ЛЗП и разбито на три этапа.
На первом этапе при возникновении, в силу каких либо причин, большого бокового отклонения ЛА от ЛЗП для обеспечения наиболее быстрого возвращения ЛА на ЛЗП в качестве заданной траектории используется линия, перпендикулярная ЛЗП.
p
p
На втором этапе при нахождении ЛА в области, где боковое отклонение от ЛЗП больше допустимой ошибки выхода на ЛЗП ΔR и меньше суммы минимально возможного радиуса разворота R и допустимой ошибки выхода на ЛЗП ΔR, в качестве заданной траектории используется окружность с минимально возможным радиусом разворота R, которая проходит через точку текущего местоположения ЛА и одновременно является касательной к линии, параллельной ЛЗП и смещенной в сторону ЛА на величину допустимой ошибки выхода на ЛЗП ΔR.
На третьем этапе при нахождении ЛА в диапазоне боковых отклонений от ЛЗП, меньших допустимой ошибки выхода на ЛЗП ΔR, в качестве заданной траектории используется линия экспоненциального типа, в пределе сливающаяся с ЛЗП.
В процессе реализации автоматического режима полета по маршруту маршрутным методом используют известные законы управления боковым движением центра масс через контур управления креном ЛА.
з
В вышеуказанной книге [5] на стр.220 приведены следующие две зависимости заданного крена γ параметров полета ЛА:
гр
Z
И
сн
И
сн
ЗНП
γ
z
Vz
ψ
где F - функция ограничения заданного угла крена, Z - боковое отклонение центра масс ЛА от текущей заданной траектории, pZ=V- скорость изменения бокового отклонения центра масс ЛА от текущей заданной траектории, ψ=ψ+α - текущий путевой угол ЛА, ψ - истинный курс ЛА, α - угол сноса ЛА, ψ - заданное направление полета, K, K, K, K - весовые коэффициенты учета соответствующих параметров.
з
Из описания прототипа следует, что на указанных выше этапах полета ЛА по маршруту маршрутным методом входные параметры при определении заданного крена γ формируются следующим образом:
1-й этап:
Z=0;
Z
X
V=W - составляющая путевой скорости ЛА по продольной оси ЛЗП;
ЗНП
ЛЗП
ψ=ψ+90°·signZ - направление перпендикуляра к ЛЗП;
ЛЗП
ψ - направление ЛЗП;
signZ - параметр, учитывающий нахождение ЛА в соответствующей полуплоскости относительно ЛЗП и равный 1 или -1.
2-й этап:
Z=0;
Z
Z
R
X
R
V=W·sinψ+W·cosψ·signZ - проекция вектора путевой скорости ЛА на радиус, соединяющий точку местоположения ЛА с центром окружности с минимально возможным радиусом разворота;
ЗНП
ЛЗП
R
ψ=ψ-(ψ-90°)·signZ - направление линии, касательной к окружности с минимально возможным радиусом разворота в точке местоположения ЛА;
R
p
P
ψ=arcsin[(R-|Zла|+ΔR)/R];
P
P
2
R=W/(G·tgγ) - минимально возможный радиус разворота ЛА;
ΔR - величина допустимой ошибки выхода на ЛЗП, равная константе;
Zлa - боковое отклонение центра масс ЛА от ЛЗП;
W - модуль вектора путевой скорости ЛА;
G - ускорение силы тяжести;
P
γ - максимально допустимый крен при текущих высоте и скорости.
3-й этап:
Z=Zлa;
Z
Z
V=W - составляющая вектора путевой скорости ЛА по боковой оси ЛЗП;
ЗНП
ЛЗП
ψ=ψ.
ЗК
ЗНП
сн
При полете по маршруту в автоматическом режиме использование законов (1) или (2), в целом, дает эквивалентные результаты. Однако при полете по маршруту в ручном режиме пилоту одновременно и правильно учесть боковое отклонение и скорость бокового отклонения практически невозможно. В этом случае, как следует из содержания книги [5], пилот учитывает два параметра: в первую очередь, рассогласование текущего и заданного курсов ЛА, а во вторую - боковое отклонение. Поэтому, как правило, на соответствующих индикационных приборах на одной круговой шкале одновременно индицируют истинный курс ЛА и заданный курс, который определяют с учетом угла сноса следующим образом ψ=ψ-α, а внутри круговой шкалы, в виде вертикально ориентированной планки также индицируют боковое отклонение от текущей заданной траектории.
И
сн
ЗНП
Поэтому для большей общности, а также учитывая цели предлагаемого изобретения, полагаем, что основными сигналами как в автоматическом, так и в ручном режимах управления ЛА являются боковое отклонение от текущей заданной траектории Z, текущий путевой угол ЛА ψ=ψ+α и заданное направление полета ψ, т.е. при формировании заданного крена основным является закон (2), который с учетом сказанного в предыдущем абзаце выглядит следующим образом:
з
и на указанных выше 3 этапах полета ЛА по маршруту маршрутным методом входные параметры при определении заданного крена γ формируются следующим образом:
1-й этап:
Z=0;
ЗК
ЛЗП
сн
ψ=ψ-α+90°·signZ.
2-й этап:
Z=0;
ЗК
ЛЗП
сн
P
ψ=ψ-α-(ψ-90°)·signZ.
3-й этап:
Z=Zла;
ЗК
ЛЗП
сн
ψ=ψ-α.
Таким образом, способ-прототип состоит в том, что в процессе полета ЛА по маршруту измеряют или формируют сигналы курса, крена, скорости, координат местоположения, угла сноса, путевого угла, минимально возможного радиуса разворота, направления ЛЗП, бокового отклонения от ЛЗП, бокового отклонения от текущей заданной траектории и заданного курса, управляя ЛА автоматическим или ручным способом, отрабатывают боковое отклонение от текущей заданной траектории и рассогласование текущего и заданного курсов, причем при значительных отклонениях ЛА от ЛЗП, формируя боковое отклонение от текущей заданной траектории, равным нулю, а заданный курс, соответствующий перпендикулярному направлению путевого угла к ЛЗП, выполняют разворот ЛА до совпадения путевого угла с перпендикуляром к ЛЗП и выдерживают данное направление полета до достижения бокового отклонения от ЛЗП, равного сумме минимально возможного радиуса разворота и допустимой ошибки выхода на ЛЗП, а затем, формируя боковое отклонение от текущей заданной траектории, равным нулю, а заданный курс соответствующим направлению путевого угла по касательной к окружности с минимально возможным радиусом разворота, которая проходит через точку текущего местоположения ЛА и одновременно является касательной к линии, параллельной ЛЗП и смещенной в сторону ЛА на величину допустимой ошибки выхода на ЛЗП, выполняют разворот ЛА в сторону положительного направления ЛЗП с максимально допустимым, при текущих высоте и скорости ЛА, креном, а после достижения бокового отклонения от ЛЗП, равного допустимой ошибке выхода на ЛЗП, выполняют полет, формируя боковое отклонение от текущей заданной траектории, равным боковому отклонению от ЛЗП, а заданный курс соответствующим равенству путевого угла ЛА направлению ЛЗП.
Основным недостатком этого способа управления является неоднозначность процедур управления при полете по маршруту в ручном режиме на третьем этапе. Т.к. заданный курс, с учетом угла сноса, равен направлению ЛЗП, то рассогласование текущего и заданного курсов не дает полной информации о требуемой траектории полета, и пилоту в этом случае необходимо также ориентироваться на величину бокового отклонения от ЛЗП, что усложняет процедуру управления ЛА и может приводить к неточным и неоптимальным траекториям движения по ЛЗП.
Целью предлагаемого изобретения является, прежде всего, упрощение процедур ручного управления ЛА при полете по маршруту. Эта цель может быть достигнута, если всю информацию о требуемой траектории движения ЛА, в том числе на третьем этапе, заложить в сигнал заданного курса. В результате необходимость учета летчиком при ручном управлении ЛА сигнала бокового отклонения отпадет. Достижение этой цели позволит также упростить контур автоматического управления ЛА, т.к. закон управления с использованием только одного входного параметра, безусловно, более прост при реализации.
Если более пристально рассмотреть процесс формирования заданного курса на всех этапах работы способа прототипа, то окажется, что процедура формирования заданного курса может быть представлена в виде формирования местоположения некой точки на ЛЗП и определения направления прямой, соединяющей ЛА и эту точку (см. фиг.2):
- на первом этапе искомая точка находится на пересечении перпендикуляра от точки местоположения ЛА к ЛЗП;
P
- на втором этапе искомая точка находится на пересечении ЛЗП и линии, проходящей через точку местоположения ЛА и одновременно являющейся касательной к окружности с радиусом R, смещенной в сторону ЛА на величину ΔR;
- на третьем этапе искомая точка находится на ЛЗП, но удалена от ЛА на бесконечно большое расстояние в положительном направлении по ЛЗП.
P
На первом этапе, при |Zла|≥R+ΔR, координаты указанной точки на ЛЗП равны
P
a
На втором этапе, при R+ΔR>|Zл|≤ΔR, координаты указанной точки на ЛЗП равны
a
На третьем этапе, при |Zл|<ΔR, координаты указанной точки на ЛЗП равны
Где Хла и Zлa координаты ЛА в системе координат ЛЗП (см. фиг.1).
Направление на эту вынесенную точку определяется следующей зависимостью:
P
Т
Т
Т
На границах второго этапа, когда |Zла|=R+ΔR и |Zла|=ΔR, координата Х указанной точки на ЛЗП соответственно равна Х=Хла и Х=Хла+∞, что обеспечивает безударное переключение процесса формирования заданного курса с первого этапа на второй и со второго этапа на третий.
Устранить указанный недостаток прототипа можно, если производить переключение процесса формирования заданного курса со второго этапа на третий предварительно, еще до достижения бокового отклонения от ЛЗП, равного допустимой ошибке выхода на ЛЗП, например, при боковом отклонении, равном Zлa=k·ΔR=1.1·ΔR, а затем на третьем этапе формировать заданный курс на точку, вынесенную вперед по ЛЗП на расстояние, зависящее от скорости и бокового отклонения от ЛЗП. Для достижения поставленной цели достаточно обеспечить прямо пропорциональную зависимость величины выноса от скорости и обратно пропорциональную зависимость от бокового отклонения от ЛЗП. При этом необходимо обеспечить безударное переключение процесса формирования заданного курса при переходе со второго этапа на третий. Т.е., в точке переключения заданный курс, формируемый на втором этапе, должен быть равен заданному курсу, формируемому на третьем этапе.
Эти условия будут выполнены, если координаты вынесенной точки будут формироваться в соответствии со следующими соотношениями:
P
- на первом этапе, при |Zла|≥R+ΔR, координаты указанной точки на ЛЗП, как и ранее, равны
Т
Х=Хла,
T
Z=0;
P
- на втором этапе, при R+ΔR>|Zла|≤k·ΔR, координаты указанной точки на ЛЗП, как и ранее, равны
,
T
Z=0.
- на третьем этапе, при |Zла|<k·ΔR, координаты указанной точки на ЛЗП равны
3
3
Где k=Z/ΔR - коэффициент отношения ширины зоны третьего этапа к допустимой ошибке выхода на ЛЗП (см. фиг.2), а коэффициент K зависит от параметров Z и ΔR, описывающих геометрию схемы выхода на ЛЗП, динамических характеристик конкретного ЛА и определяется соотношением
которое получено из предположения, что коэффициент k находится в диапазоне k=1.05÷1.2.
3
P
ЛЗП
T2
Т3
Например, на нижней границе второго этапа и верхней границе третьего этапа, при W=200 м/с, k=1.1, ΔR=1000 м, Zла=Z=k·ΔR=1100 м, γ=45° и ψ=0° соотношения 5, 7, 8, 9 и 7 дают значения направления на вынесенную точку ψ≈12.6°, ψ≈12.5°, разница между которыми для рассматриваемой задачи пренебрежимо мала, что подтверждает безударный характер переключения процесса формирования заданного курса при переходе со второго этапа на третий.
Таким образом, с учетом только значимых для предлагаемого изобретения признаков, технический результат в части упрощения процедур ручного управления ЛА при полете по маршруту и их унификации с процедурами автоматического управления ЛА обеспечивается тем, что в способе управления траекторией ЛА при полете маршруту, после достижения бокового отклонения от ЛЗП, пропорционального допустимой ошибке выхода на ЛЗП, выполняют полет на вынесенную по ЛЗП точку, формируя при этом заданный курс, соответствующий направлению путевого угла ЛА на эту вынесенную точку, вынос которой в положительном направлении ЛЗП прямо пропорционален скорости ЛА и обратно пропорционален боковому отклонению ЛА от ЛЗП.
На фиг.2 представлен рисунок, иллюстрирующий предлагаемый способ. Рисунок иллюстрирует геометрическую схему возврата ЛА на ЛЗП из точки с большим боковым отклонением от ЛЗП.
И
E
N
Сигналы курса ψ, крена γ, составляющих W, W вектора путевой скорости W, координат местоположения φ, λ в географической системе координат могут быть измерены с помощью любых известных навигационных систем, например с помощью инерциальных навигационных систем (ИНС).
сн
И
Сигналы угла сноса α и путевого угла ψ могут быть сформированы с использованием сигналов курса ψ и скорости W
сн
E
N
И
α=arctg(W/W)-ψ,
И
сн
ψ=ψ+α.
P
Р
Сигнал минимально возможного радиуса разворота R может быть сформирован с использованием сигналов скорости W и известных динамических характеристик конкретного ЛА, в частности максимально допустимого, при соответствующей высоте и скорости, крена γ
P
P
2
R=W/(G·tgγ),
.
ЛЗП
С помощью известных соотношений сферической тригонометрии, на основе известных географических координат ЛА и географических координат начальной и конечной точек ЛЗП могут быть сформированы сигналы направления ЛЗП ψ и координаты ЛА относительно ЛЗП Хла, Zла.
ЗК
Сигнал заданного курса ψ формируется в соответствии со следующей логикой:
P
- 1-й этап, при |Zла|≥R+ΔR:
ЗК
ЛЗП
сн
ψ=ψ-α+90°·signZ;
P
- 2-й этап, при R+ΔR>|Zла|≤k·ΔR:
ЗК
ЛЗП
сн
R
ψ=ψ-α-(ψ-90°)·signZ;
- 3-й этап, при |Zла|<k·ΔR:
ЗК
ЛЗП
сн
T
ψ=ψ-α+arctg[Zлa/(X-Хла)]·signZ,
Т
Х=Хла+K·(W/Zлa);
где параметр signZ, равный 1 или -1, характеризует положение ЛА относительно ЛЗП, а постоянные ΔR, k и K характеризуют конкретную геометрическую схему выхода на ЛЗП и динамические характеристики конкретного ЛА.
Отработка пилотом, с использованием информации, считываемой с соответствующих индикаторов, рассогласования заданного и текущего курса ЛА обеспечивает полет ЛА по заданному маршруту в ручном режиме.
Отработка рассогласования заданного и текущего курса ЛА, с помощью системы автоматического управления, обеспечивает полет ЛА по заданному маршруту в автоматическом режиме.
Таким образом, на примерах реализации показано достижение технических результатов.