СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЗОНЫ ДОСЯГАЕМОСТИ ПАРАШЮТИСТОМ ЦЕЛЕВОЙ ТОЧКИ ПРИЗЕМЛЕНИЯ
METHOD OF DETERMINING A ZONE OF REACH BY A PARATROOPER OF A TARGET LANDING POINT

Заявляемое изобретение относится к способам информационного обеспечения управляемого спуска на парашюте военнослужащих и специалистов других силовых структур.
Известен способ управления парашютом при работе на точность приземления [1]. Способ формулирует общие принципы управления парашютными системами различных типов и содержит основные понятия и определения (конус возможностей купола, створ ветра и др.) процесса спуска. Недостатком способа [1] является отсутствие расчетных соотношений и конкретных правил определения зоны досягаемости точки приземления.
Известен способ навигационного обеспечения процесса спуска, реализованный в высотном парашютном навигационном компьютере [2]. Способ предусматривает отображение на дисплее навигационного компьютера рекомендуемой (прогнозируемой) траектории спуска, рассчитываемой с учетом характеристик парашюта, парашютиста и координат целевой точки. Главным недостатком данного способа является расчет и отображение только рекомендуемой траектории без указания допустимых пределов маневрирования, в большинстве случаев необходимого для обеспечения высокой точности приземления и безопасности полета. Это обусловлено отсутствием в способе функции определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки.
Известен способ определения зоны досягаемости точки приземления, реализованный в навигационном дисплее парашютистов [3]. Способ предполагает построение конуса возможностей парашютного купола (навигационной трубки, воронки (navigation tunnel, funnel) по терминологии патента [3]) и удержание в нем парашютиста при спуске. Зона досягаемости отображается на дисплее в виде концентрических окружностей для различных высот полета парашютиста. Главным недостатком способа является отсутствие математического аппарата расчета параметров конуса возможностей и зоны досягаемости. Декларируется принципиальная возможность их определения и построения, а сам способ [3], по сути, является лишь графической иллюстрацией такой возможности. Недостатками также являются представление зоны досягаемости при ненулевом ветре в виде окружностей (на самом деле это эллипсы) и ограничение определения скорости ветра только априорными данными (без привлечения измерений, например, анемометра).
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ определения параметров конуса возможностей парашютного купола, реализованный в модульной информационной системе парашютиста [4]. Способ предполагает использование устанавливаемых на парашютисте модуля спутниковой навигации, датчика скорости ветра, средства отображения и вычислительного модуля с встроенными программными модулями отображения на электронной карте местности целевой точки и положения парашютиста. Сущность способа заключается в определении по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра угла раствора конуса возможностей парашютного купола и угла отклонения оси конуса возможностей от вертикали в целевой точке.
Недостатки способа-прототипа [4] обусловлены отсутствием функции определения зоны досягаемости, сложностью и дороговизной реализации, а также непригодностью для применения большинством парашютистов, владеющих стандартной техникой прыжка.
Рассмотрим недостатки способа и их причины более подробно.
cp
пcp
hcp
В способе [4] зона досягаемости целевой точки приземления трактуется как конус возможностей парашютного купола - участок воздушного пространства, ограниченный трехмерной поверхностью в виде конуса с вершиной в заданной целевой точке и горизонтальным основанием, проходящим через центр масс парашютиста. Определение параметров конуса ограничивается расчетом углов раствора β и отклонения его оси от вертикали в целевой точке γ (соотношения (1)-(3) описания патента [4]). Необходимые для расчета значения аэродинамического качества купола K, средней скорости ветра w, средних путевой скорости v и скорости снижения v парашютиста определяются по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра либо по априорным данным о типе парашюта и высотном профиле скорости ветра. Вместе с тем, отметка на электронной карте местности горизонтальной границы конуса возможностей (отметка 9.17 на Фиг. 6 описания [4]), являющаяся проекцией основания конуса на плоскость местного горизонта в точке приземления, обозначена лишь графически. Ее форма, ориентация и параметры не рассматриваются и не определяются.
Однако именно эта отметка, которую следует трактовать как зону досягаемости целевой точки и в границах которой необходимо удерживать отметку положения парашютиста (ОП) при управляемом спуске, определяет точность приземления и безопасность полета большинства парашютистов с стандартными навыками прыжка и доступным для массового применения приборным оснащением. Отсутствие в способе-прототипе [4] функции определения зоны досягаемости приводит к низкой точности приземления и безопасности полета.
Реализация способа [4] предполагает использование в качестве средства отображения нашлемного средства дополненной реальности, совмещающего видимое парашютистом реальное изображение местности с формируемыми программными модулями вычислительного модуля трехмерными изображениями электронной карты и конуса возможностей купола.
Однако разработка и изготовление нашлемного средства требуют применения сложных, зачастую уникальных аппаратных и программных технологий: бинокулярных видеоочков с микродисплеями и пикопроекторами, высокопроизводительных процессоров и видеоадаптеров с 3D-ускорителем, 3D-конвейеров для рендеринга трехмерных моделей и др. Перечисленные компоненты отличают высокая стоимость и ограниченная доступность на отечественном рынке. Указанные обстоятельства обусловливают высокую сложность и дороговизну реализации способа [4].
Применение способа [4] оправдано для парашютистов с высоким уровнем профессиональной подготовки, использующих парашютные системы и аппаратуру специального назначения для решения отдельных, особо важных задач. В этом случае возможности трехмерной визуализации местности, электронной карты и конуса возможностей купола востребованы и реализуются в полном объеме, обеспечивая необходимое качество решения специальных задач. Вместе с тем, для большинства парашютистов с стандартными подготовкой и приборным оснащением возможности способа избыточны, а сам способ, в силу сложности освоения и применения, непригоден для массового использования.
Задача, стоящая перед разработчиками заявляемого изобретения, состоит в создании недорогого и простого в реализации и применении способа определения зоны досягаемости целевой точки приземления, обеспечивающего повышение точности приземления и безопасности полета парашютиста.
Для решения указанной задачи в способе определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления, заключающемся в том, что на парашютисте устанавливают модуль спутниковой навигации, датчик скорости ветра, средство отображения и вычислительный модуль с встроенными программными модулями отображения на электронной карте местности целевой точки с заданными координатами и положения парашютиста, по данным модуля спутниковой навигации и датчика скорости ветра определяют текущую высоту полета, средние значения путевой скорости парашютиста, скорости его снижения и скорости ветра, по указанным средним значениям скоростей вычисляют угол раствора конуса возможностей парашютного купола и угол отклонения оси конуса возможностей от вертикали в целевой точке, дополнительно используют встроенный в вычислительный модуль программный модуль формирования и отображения эллиптической зоны досягаемости целевой точки, с помощью указанного программного модуля по значениям текущей высоты полета парашютиста и эксцентриситета эллиптической зоны определяют координаты центра, малую и лежащую в створе ветра большую полуоси эллиптической зоны досягаемости, эксцентриситет эллиптической зоны вычисляют по значениям углов раствора конуса возможностей и отклонения его оси от вертикали в целевой точке, при этом сформированную зону досягаемости отображают на электронной карте местности.
Технический результат заключается в повышении точности приземления и безопасности полета парашютиста, снижении стоимости и простоте реализации и применения способа определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления.
Существенные отличительные признаки заявляемого способа по сравнению с прототипом заключаются в следующем.
1. Используют дополнительный программный модуль, позволяющий сформировать и отобразить с помощью стандартного дисплея картографическое изображение эллиптической зоны досягаемости целевой точки на электронной карте местности. Этим обеспечивается простота реализации способа, его освоения и массового применения парашютистами со стандартным уровнем подготовки.
В прототипе используют программные модули и нашлемное средство дополненной реальности, обеспечивающие совмещение трехмерных изображений электронной карты и конуса возможностей парашютного купола. Это обусловливает высокую стоимость и сложность реализации способа-прототипа, а также ограничивает его применение отдельными группами парашютистов с высоким уровнем специальной подготовки.
2. По значениям текущей высоты полета парашютиста и эксцентриситета эллиптической зоны досягаемости определяют координаты центра, малую и лежащую в створе ветра большую полуоси данной зоны. Этим реализуется функция определения зоны досягаемости целевой точки приземления, обеспечивающей высокую точность приземления и безопасность полета.
В прототипе форма, параметры и ориентация зоны досягаемости не рассматриваются и не определяются. Расчет ограничивается определением углов раствора конуса возможностей и отклонения его оси от вертикали в целевой точке.
3. Эксцентриситет эллиптической зоны досягаемости вычисляют по значениям вышеуказанных углов конуса возможностей. Полученное значение эксцентриситета определяет большую полуось зоны досягаемости.
В прототипе такая задача не решается.
Рассмотренные отличительные признаки позволяют устранить недостатки прототипа и решить поставленную задачу.
Заявляемый способ заключается в следующем.
cp
Определяемая зона досягаемости целевой точки приземления является картографическим изображением на электронной карте местности проекции горизонтального сечения конуса возможностей парашютного купола на текущей высоте полета парашютиста. В отсутствие ветра (средняя скорость ветра w=0) угол отклонения γ оси конуса от вертикали в целевой точке (ЦТ), определяемый соотношением (см. формулу (3) описания прототипа [4]):
3Д
3Д
3Д
ЦТ
ЦТ
ЦТ
3Д
равен нулю. В этом случае (см. далее Фиг. 1) зона досягаемости (3Д) целевой точки представляет собой круг, координаты центра которого Х, Y, Н совпадают с заданными координатами Х, Y, Н целевой точки (в системе координат СК-42, проекция Гаусса-Крюгера), а радиус R равен:
где β - угол раствора конуса возможностей, определяемый формулами (1), (2) описания прототипа:
тек
пар
ЦТ
пар
Н=Н-Н - текущая высота парашютиста над целевой точкой. Здесь Н - текущая высота парашютиста в системе координат СК-42 (определяется модулем спутниковой навигации).
cp
При ненулевом ветре (w≠0) угол γ отличен от нуля, а зона досягаемости (см. Фиг. 2) является эллипсом с плановыми координатами центра (ЦЗД), равными:
3D
Здесь Δ - смещение центра 3Д относительно ЦТ, равное:
В
α - дирекционный угол направления среднего ветра, определяемый датчиком скорости ветра либо задаваемый его высотным профилем.
3Д
3Д
3Д
3Д
3Д
Малая полуось b эллиптической зоны совпадает с ранее определенным радиусом R, b=R, а большая полуось а вычисляется с использованием эксцентриситета е по формуле:
Эксцентриситет эллиптической зоны е равен:
где β, γ - ранее определенные углы конуса возможностей.
3Д
3Д
3Д
Высота центра эллиптической зоны досягаемости Н в системе координат СК-42 определяется по электронной карте местности координатами Х, Y
Заявляемое изобретение иллюстрируют следующие графические материалы.
Фиг. 1. Конус возможностей и круговая зона досягаемости в отсутствие ветра (Фиг. 1а - конус возможностей, Фиг. 1б - зона досягаемости).
Фиг. 2. Конус возможностей и эллиптическая зона досягаемости при наличии ветра (Фиг. 2а - конус возможностей, Фиг. 2б - зона досягаемости).
cp
В
3Д
cp
3Д
3Д
ЦТ
ЦТ
cp.
cp.
Примечание - Фиг. 2 соответствует строго восточному направлению среднего ветра w (дирекционный угол α=90°). Большая полуось a эллиптической зоны лежит в створе ветра, т.е. совпадает с направлением w, а координаты центра зоны Х, Y смещены относительно координат Х, Y целевой точки в направлении, противоположном направлению w При других направлениях ветра соответственно изменяется ориентация эллиптической зоны, большая полуось которой следует за направлением среднего ветра w
Рассмотрим возможность технической реализации заявляемого способа.
п
h
пар
пар
пap
В качестве модуля спутниковой навигации, формирующего текущие путевую скорость V, скорость снижения V, высоту Н, а также текущие координаты парашютиста Х, Y в системе координат СК-42 (последние необходимы для отображения его положения (отметка ОП) на электронной карте местности) может использоваться многоканальный навигационный приемник МНП-М7 производства АО «Ижевский радиозавод». Приемник недорог и доступен для массового производства и применения. Возможно использование других малогабаритных навигационных приемников, широко представленных на отечественном рынке.
Средство отображения может быть реализовано на базе жидкокристаллического индикатора TX09D200VMOBAA производства компании Kaohsiung Opto-Electronics Inc. Характеристики индикатора соответствуют содержанию и объему информации, предусмотренной для визуального отображения заявляемым способом. Корпусированное исполнение индикатора совместно с управляющим контроллером позволяет создать малогабаритный автономный модуль, размещаемый на запястье или груди транспортного жилета парашютиста в положении, удобном для глаз.
Для реализации датчика скорости ветра, также устанавливаемого на жилете, существует широкая линейка портативных анемометров. Примером может служить электронный мини анемометр WindLiner ANI-20 компании Metron X.
п
h
Вычислительный модуль, реализующий алгоритм работы способа (соотношения (1)-(7), включая операцию усреднения скоростей V, V, W), может строиться с использованием СнК (системы-на кристалле) SmartFusion2, включающей энергонезависимую матрицу ПЛИС, выполненную по Flash-технологии, и полноценную процессорную подсистему на базе процессора ARM Cortex М3.
Таким образом, заявляемый способ определения зоны досягаемости парашютистом целевой точки приземления может быть реализован и обеспечивает повышение точности приземления и безопасности полета, снижение стоимости и простоту реализации и применения.
Источники информации:
1. Псурцев П.А. Прыжки с парашютом. - М.: ACT: ЛЮКС, 2005 (Тип. изд-ва Самар. Дом печати). - 335 с.
2. Патент US 20070233382.
3. Патент US 20100204910.
4. Патент RU 2681241.