КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА НАВИГАЦИИ И УПРАВЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
INTEGRATED NAVIGATION AND CONTROL SYSTEM OF AIRCRAFT

Предлагаемое устройство предназначено для применения в области авиационного приборостроения, в частности в пилотажно-навигационном оборудовании летательных аппаратов (ЛА).
Полет любого ЛА можно разделить на:
- взлет;
- полет по маршруту;
- посадку.
Полет по маршруту наиболее продолжительный этап, во время которого, как правило, выполняется главная целевая задача ЛА. Очень часто для выполнения этой целевой задачи требуется вывод ЛА в заданную область воздушного пространства относительно известной навигационной точки (НТ) с таким расчетом, чтобы ЛА находился относительно НТ на заранее заданной дальности и с заранее заданным курсом.
Посадка включает в себя следующие этапы: предпосадочное маневрирование, которое также называют этапом возврата, заход на посадку и непосредственно приземление.
Целевой задачей этапа возврата является вывод ЛА в заданную область воздушного пространства относительно взлетно-посадочной полосы (ВПП) с таким расчетом, чтобы ЛА находился на продолжении оси ВПП на установленной высоте и дальности относительно торца ВПП с курсом, примерно равным направлению ВПП.
Т.е., и при выполнении возврата и очень часто при следовании по маршруту, ЛА должен быть выведен в заданную область воздушного пространства с заданными параметрами пространственного положения по курсу и дальности относительно НТ, где гарантированно обеспечиваются благоприятные условия для выполнения целевой задачи текущего этапа полета.
Различные аспекты функционирования бортового оборудования, обеспечивающего подобное маневрирование ЛА, приведены в следующих работах:
1. Батенко А.П. Управление конечным состоянием движущихся объектов. М. "Советское радио", 1977 г., 256 с.
2. Воробьев Л.М. Воздушная навигация, М.: Машиностроение, 1984.
3. Рогожин В.О. и др. Пiлотажно-навiгацiйнi комплекси повiтряних суден, К.: Книжкове видавництво НАУ, 2005 (на украинском языке).
4. Справочник пилота и штурмана гражданской навигации. Под редакцией Васина И.Ф., М.: Транспорт, 1988.
5. Патент РФ на изобретение №2240589 с приоритетом от 31.07.2003. Способ автоматического управления летательным аппаратом при выходе на линию взлетно-посадочной полосы.
6. Патент РФ на изобретение №2276328 с приоритетом от 21.06.2005. Прицельно-навигационный комплекс многофункционального самолета авианосного и наземного базирования.
7. Патент РФ на изобретение №2481558 с приоритетом от 25.07.2011. Комплексная система навигации и управления летательного аппарата.
Описание наиболее близкого к предлагаемому изобретению устройства приведено в патенте РФ на изобретение №2481558 [7].
С учетом только существенных, для предлагаемого изобретения, признаков устройство-прототип содержит взаимосоединенные входами-выходами по каналу информационного обмена (КИО) комплект многофункциональных индикаторов (МФИ), комплект навигационно-пилотажных средств (НПС), переносной носитель исходных данных (ПНИД), вычислительную систему (ВС), включающую взаимосоединенные входами-выходами по магистрали вычислительного информационного обмена (МВИО) вычислительно-логические модули (ВЛМ) объединенной базы данных (ОБД), формирования навигационно-пилотажных параметров (ФНПП), формирования отображаемой информации (ФОИ), формирования управляющих сигналов (ФУС), ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО), вход-выход которого является входом-выходом ВС.
На чертеже (см. фиг. 1) представлена блок-схема устройства-прототипа, содержащего:
1 - комплект многофункциональных индикаторов (МФИ);
2 - комплект навигационно-пилотажных средств (НПС);
3 - переносной носитель исходных данных (ПНИД);
4 - канал информационного обмена (КИО);
5 - вычислительную систему (ВС), включающую:
6 - магистраль вычислительного информационного обмена (МВИО),
7 - ВЛМ объединенной базы данных (ОБД),
8 - ВЛМ формирования навигационно-пилотажных параметров (ФНПП),
9 - ВЛМ ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО),
10 - ВЛМ формирования отображаемой информации (ФОИ),
11 - ВЛМ формирования управляющих сигналов (ФУС).
Функционирование системы-прототипа на этапе захода на НТ с заданного направления проиллюстрировано также рисунком на фиг. 3.
Устройство-прототип является комплексной системой навигации и управления ЛА, обеспечивающей формирование навигационной и пилотажной информации, ее представление на многофункциональных индикаторах, управление ЛА в ручном и автоматическом режимах.
Система-прототип функционирует следующим образом.
Информационная взаимосвязь всего оборудования устройства осуществляется по КИО, включающему электрические, механические, электромеханические связи.
МФИ содержит "n" многофункциональных индикаторов с цветными жидкокристаллическими экранами (ЖКЭ).
Комплект НПС включает инерциальные навигационные системы (ИНС), спутниковые навигационные системы (СНС), системы воздушных сигналов и другие системы, измеряющие параметры движения ЛА при подготовке и в полете, которые с входа-выхода НПС через КИО поступают на вход-выход ВС и через ВВУИО и МВИО в ФНПП, ФОИ, ФУС.
ПНИД является носителем полетных заданий с долговременной репрограммируемой памятью (типа стандартных флеш-карт), подготавливаемых на наземных пунктах планирования полетных заданий. Введенные в ПНИД исходные данные для бортового оборудования, параметры навигационных точек на маршруте, параметры возможных аэродромов базирования и другие данные через КИО поступают на вход ВС, а затем через ВВУИО и МВИО в ОБД.
ВС является вычислительной системой, при этом все ВМЛ, входящие в состав ВС, исполнены по стандартным вычислительным схемам на основе процессоров и запоминающих устройств.
ВВУИО через один вход-выход осуществляет прием, преобразование и передачу данных во взаимодействующее оборудование через вход-выход ВС по КИО. Другой вход-выход ВВУИО подключен к МВИО, осуществляющей информационный обмен между всеми ВМЛ ВС.
ОБД выполнен на стандартном долговременном запоминающем устройстве, хранящем данные, поступившие с ПНИД.
В ФНПП осуществляется комплексная обработка информации от КНПС, ОБД и формируются текущие навигационно-пилотажные параметры ЛА, поступающие по МВИО в ФОИ и ФУС.
В ФОИ по данным, полученным по МВИО от ОБД, ФНПП, ФУС и от взаимодействующего оборудования через КИО и ВВУИО, формируются обобщенные мнемокадры функциональной, цифробуквенной информации, совмещенной с представлением многофункционального пульта управления. Сформированные мнемокадры изображений с входа-выхода ФОИ через МВИО, ВВУИО, КИО поступают в МФИ для отображения на экранах с целью принятия решения экипажем для работы с оборудованием комплекса через обрамляющие экраны многофункциональных индикаторов органы управления (сенсорные кнопки, кнопки-клавиши).
ЛА
ЛА
НТ
НТ
НТ
ЛА
ЛА
В ФУС, на этапе захода на НТ по текущим координатам ЛА φ, λ из ФНПП, координатам НТ φ, λ и курсу прохода НТ ψ из ОБД определяют текущие координаты ЛА Х, Y в системе координат, связанной с НТ:
ЛА
НТ
НТ
X=Δλ·sinψ+Δφ·cosψ,
ЛА
НТ
НТ
Y=-Δλ·cosψ+Δφ·sinψ,
ЛА
НТ
ЛА
НТ
ЛА
где Δφ=(φ-φ)·R, Δλ=(λ-λ)·R·cosφ, R - радиус Земли, который с достаточной точностью для рассматриваемой задачи может быть принят равным 6371 км.
ЛА
ЛА
СНи
0
НТ
0
3
3
И
По текущим координатам ЛА Х, Y, истинному углу сноса α из ФНПП и заданным координатам центра вынесенной окружности относительно НТ Х=Д, Y=R из ОБД определяют заданный курс ЛА ψ на точку касания А вынесенной окружности в географической системе координат, который вместе с сигналом истинного курса ЛА ψ из ФНПП поступает на индикацию и в систему автоматического управления (САУ) ЛА:
где  - линейная дальность до точки А касания заданной вынесенной окружности,
A
ψ - направление линии касательной к вынесенной окружности и проходящей через точку местоположения ЛА.
И
3
Отклонение рулевых поверхностей ЛА для маневра в боковой плоскости осуществляется с учетом рассогласования между текущим и заданным курсами и после того, как текущий курс ЛА ψ сравняется с заданным курсом ψ ЛА летит на точку А касания заданной окружности.
3
НТ
НТ
Таким образом, ЛА летит в точку А касания заданной окружности с радиусом R, вынесенной относительно НТ на расстояние Д. После прохождения точки А производится разворот ЛА в сторону НТ, а затем выравнивание ЛА по линии проходящей через НТ с курсом ψ.
Основным недостатком этого устройства при заходе на НТ с заданного направления является тот факт, что в непосредственной близости ЛА от вынесенной окружности на качество функционирования способа могут влиять погрешности пилотирования ЛА и погрешность определения курса ЛА. Вследствие воздействия таких погрешностей, ЛА, еще не достигнув расчетной точки касания заданной окружности, может оказаться внутри вынесенной окружности. Поскольку определить направление линии касательной к окружности находясь внутри окружности не представляется возможным, разворот ЛА в сторону НТ начнется в не расчетной точке, что в итоге приведет к выходу на заданный курс на дальности не соответствующей заданной.
Целью настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства и повышение точности выхода ЛА на НТ с заданного направления по дальности путем обеспечения инвариантности устройства к погрешностям пилотирования ЛА и погрешности определения курса ЛА.
Поставленная цель достигается тем, что в известную комплексную систему навигации и управления ЛА, включающую взаимосоединенные входами-выходами по каналу информационного обмена комплект многофункциональных индикаторов, комплект навигационно-пилотажных средств, переносной носитель исходных данных, вычислительную систему, включающую взаимосоединенные входами-выходами по магистрали вычислительного информационного обмена вычислительно-логические модули объединенной базы данных (ОБД), формирования навигационно-пилотажных параметров (ФНПП), формирования отображаемой информации (ФОИ), формирования управляющих сигналов (ФУС), ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО), дополнительно введены в состав вычислительной системы вычислительно-логические модули оценки положения ЛА относительно навигационной точки (ПОНТ) и формирования фиктивного угла сноса (ФФУС), взаимосоединенные между собой и с вычислительно-логическими модулями ОБД, ФНПП, ФОИ, ФУС и ВВУИО по магистрали вычислительного информационного обмена.
На чертеже (см. фиг. 2) представлена блок-схема предлагаемого устройства, содержащего:
1 - комплект многофункциональных индикаторов (МФИ);
2 - комплект навигационно-пилотажных средств (НПС);
3 - переносной носитель исходных данных (ПНИД);
4 - канал информационного обмена (КИО);
5 - вычислительную систему (ВС), включающую:
6 - магистраль вычислительного информационного обмена (МВИО),
7 - ВЛМ объединенной базы данных (ОБД),
8 - ВЛМ формирования навигационно-пилотажных параметров (ФНПП),
9 - ВЛМ ввода-вывода и управления информационным обменом (ВВУИО),
10 - ВЛМ формирования отображаемой информации (ФОИ),
11 - ВЛМ формирования управляющих сигналов (ФУС),
12 - ВЛМ оценки положения ЛА относительно навигационной точки (ПОНТ),
13 - ВЛМ формирования фиктивного угла сноса (ФФУС).
Функционирование предлагаемой системы на этапе захода на НТ с заданного направления проиллюстрировано рисунком на фиг. 4.
Предлагаемая система функционирует следующим образом.
Информационная взаимосвязь всего оборудования устройства осуществляется по КИО, включающему электрические, механические, электромеханические связи.
МФИ содержит "n" многофункциональных индикаторов с цветными жидкокристаллическими экранами (ЖКЭ).
Комплект НПС включает инерциальные навигационные системы (ИНС), спутниковые навигационные системы (СНС), системы воздушных сигналов и другие системы, измеряющие параметры движения ЛА при подготовке и в полете, которые с входа-выхода НПС через КИО поступают на вход-выход ВС и через МВИО и ВВУИО в ФНПП, ФОИ, ФУС.
ПНИД является носителем полетных заданий с долговременной репрограммируемой памятью (типа стандартных флеш-карт), подготавливаемых на наземных пунктах планирования полетных заданий. Введенные в ПНИД исходные данные для бортового оборудования, параметры навигационных точек на маршруте, параметры возможных аэродромов базирования, параметры возможных кораблей базирования и другие данные через КИО поступают на вход ВС, а затем через ВВУИО и МВИО в ОБД.
ВС является вычислительной системой, при этом все ВМЛ, входящие в состав ВС, исполнены по стандартным вычислительным схемам на основе процессоров и запоминающих устройств.
ВВУИО через один вход-выход осуществляет прием, преобразование и передачу данных во взаимодействующее оборудование через вход-выход ВС по КИО. Другой вход-выход ВВУИО подключен к МВИО, осуществляющей информационный обмен между всеми ВМЛ ВС.
ОБД выполнен на стандартном долговременном запоминающем устройстве, хранящем данные, поступившие с ПНИД.
В ФНПП осуществляется комплексная обработка информации от КНПС, ОБД и формируются текущие навигационно-пилотажные параметры ЛА, поступающие по МВИО в ФОИ и ФУС.
В ФОИ по данным, полученным по МВИО от ОБД, ФНПП, ФУС и от взаимодействующего оборудования через КИО и ВВУИО, формируются обобщенные мнемокадры функциональной, цифробуквенной информации, совмещенной с представлением многофункционального пульта управления. Сформированные мнемокадры изображений с входа-выхода ФОИ через МВИО, ВВУИО, КИО поступают в МФИ.
ЛА
ЛА
НТ
НТ
НТ
ЛА
ЛА
В ФУС, на этапе захода на НТ по текущим координатам ЛА φ, λ из ФНПП, координатам НТ φ, λ и курсу прохода НТ ψ из ОБД определяют текущие координаты ЛА X, Y в системе координат, связанной с НТ:
ЛА
НТ
НТ
X=Δλ·sinψ+Δφ·cosψ,
ЛА
НТ
НТ
Y=-Δλ·cosψ+Δφ·sinψ,
ЛА
НТ
ЛА
НТ
ЛА
где Δφ=(φ-φ)·R, Δλ=(λ-λ)·R·cosφ, R - радиус Земли, который с достаточной точностью для рассматриваемой задачи может быть принят равным 6371 км.
ЛА
ЛА
СНи
0
НТ
0
3
3
И
По текущим координатам ЛА Х, Y, истинному углу сноса α из ФНПП, заданным координатам центра вынесенной окружности относительно НТ Х=Д, Y=R из ОБД и фиктивному углу сноса из ФФУС определяют заданный курс ЛА ψ в географической системе координат, который вместе с сигналом истинного курса ЛА ψ из ФНПП поступает на индикацию и в систему автоматического управления (САУ) ЛА:
где  - линейная дальность до точки А касания заданной вынесенной окружности,
А
ψ - направление линии касательной к вынесенной окружности и проходящей через точку местоположения ЛА.
СНф
А
НТ
α - фиктивный угол сноса ЛА, определяемый в ФФУС, с использованием командных сигналов из ПОНТ, сигнала ψ из ФУС и сигнала ψ из ОБД, следующим образом:
0
α
где D - известная заданная пороговая величина дальности, а К - известный заданный коэффициент.
ЛА
Анализ положения ЛА относительно НТ и точки А и выработка командных сигналов для ФФУС осуществляется в ПОНТ на основе сигналов D и Y из ФУС.
Отклонение рулевых поверхностей ЛА для маневра в боковой плоскости осуществляется с учетом рассогласования между текущим и заданным курсами.
0
и
3
Таким образом, до достижения ЛА дальности до точки касания вынесенной окружности D, ЛА, выдерживая равенство истинного курса у с заданным курсом ψ, летит на точку А касания вынесенной окружности.
И
3
НТ
Затем, выдерживая равенство истинного курса ψ с заданным курсом ψ, ЛА летит по траектории гарантированно обеспечивающей облет заданной вынесенной окружности с внешней стороны. В процессе облета вынесенной окружности, точка А касания вынесенной окружности перемещается по периметру вынесенной окружности и в пределе совпадает с точкой выноса окружности на заданную дальность выхода на НТ Д.
НТ
В результате разворот ЛА в сторону НТ и выравнивание ЛА по линии, проходящей через НТ с курсом ψ, осуществляется безударно непосредственно в процессе облета вынесенной окружности.