Способ точной посадки воздушных судов
Изобретение относится к области аэронавигации с применением излучения магнитного поля и используется для точной посадки воздушных судов на взлетно-посадочную полосу (ВПП), для чего вдоль образующих линий ВПП прокладывают в горизонтальной плоскости большой замкнутый электропроводящий контур, соединяют его через источник переменного тока с частотой 1 электрическим проводником, проложенным вдоль осевой линии ВПП. Внутри большого контура прокладывают малый электропроводящий контур и подключают его к источнику тока с частотой 2. Проводники контуров прокладывают на определенном расстоянии от боковых и торцевых линий ВПП, создают напряженность магнитного поля с частотами 1 и 2 с заданной топографией, измеряют векторы магнитных полей бортовыми компонентными магнитометрами, определяют курс, дальность до торца ВПП и высоту воздушного судна с помощью бортового вычислительного устройства. Технический результат заключается в повышении точности автоматической посадки судна. 5 ил.
Изобретение относится к области навигационных систем с использованием излучения и изменения магнитной составляющей электромагнитных волн и может быть применено для точной и в автоматическом режиме посадки воздушных судов на взлетно-посадочную полосу (ВПП).
Известные способы посадки судов основаны на измерении излучаемых источниками электромагнитных волн и их отраженных составляющих для определения высоты и скорости снижения, для формирования в пространстве линий курса и глиссады планирования судна [1]. В настоящее время используется несколько радиомаячных систем посадки: отечественные СП-50, СП-68, СП-70, СП-75, СП-90 и международная JLS. В состав системы JLS входят три маркерных, курсовой и глиссадный радиомаяки. Недостатками современных способов посадки воздушных судов на ВПП, основанных на приеме и измерении высокочастотных электромагнитных полей, являются: искажение волнового процесса в ближней области, что приводит к резкому увеличению погрешности определения координат судна в верхнем полупространстве по отношению к ВПП; из-за дискретного расположения маркерных радиомаяков появляется некоторая неопределенность в определении дальности до торца ВПП при нахождении воздушного судна в промежутке между радиомаяками. Увеличение погрешности измерения координат судна, его высоты и связи этих параметров со скоростью воздушного судна приводят к необходимости визуальной (слепой) посадки. Использование магнитного поля для точной посадки судов требует специального способа его создания, предусматривающего значение магнитной индукции, направления векторов, частоты, градиента. В работе [2] рассмотрен способ точной посадки с использованием индукции магнитного поля, задаваемого проводником с током, проложенным по центру вдоль ВПП. Этот способ доказывает только принципиальную возможность использования в аэронавигации. Наиболее близким аналогом является система, которая содержит электрические проводники, проложенные от зоны руления до площади погрузки и выгрузки (посадки и высадки). Электрические проводники создают магнитное поле, которое принимается бортовой системой, определяющей направление движения самолета по траектории прокладки электрического проводника [3]. Достоинством такой системы является ее простота по сравнению с существующими навигационными системами. Однако она не может быть использована для обеспечения надежной посадки воздушных судов, так как не обеспечивает координат судна относительно ВПП в верхнем полупространстве, скорости, снижения, высоты полета. Целью изобретения является повышение точности посадки воздушного судна. Эта цель достигается тем, что вдоль образующих линий ВПП прокладывают в горизонтальной плоскости (XZ) большой замкнутый электропроводящий контур, соединяют его через источник переменного тока с частотой 1 электрическим проводником, проложенным вдоль осевой линии ВПП (компонента Z). Током источника создают магнитное поле, при этом компонента X в горизонтальной плоскости, перпендикулярная осевой линии ВПП, имеет максимум над осевой линией. Вертикальная составляющая вектора магнитного поля (компонента Y) проходит через нуль в плоскости YZ. Внутри большого контура прокладывают в горизонтальной плоскости малый электропроводящий контур и подключают его к генератору тока с частотой 2. Проводники контуров прокладывают на определенном расстоянии от боковых и торцевых линий ВПП. Измеряют значения векторов магнитных полей с частотами 1,2 бортовыми компонентными магнитометрами воздушного судна, определяют курс, высоту полета до момента касания с ВПП и дальность воздушного судна до торца ВПП с помощью бортовой ЭВМ и производят точную посадку воздушного судна. Для создания переменного магнитного поля в окрестности аэродрома служат два источника поля ИП1 и ИП2. ИП1 состоит из семи прямолинейных проводников П1-П7 лежащих в горизонтальной плоскости XZ (фиг.1). Питание ИП1 осуществляется от генератора колебаний Г1, работающего на частоте 1. Аналогично, ИП2 состоит из четырех прямолинейных проводников П8-П11, питаемых от генератора Г2, работающего на частоте 2. С помощью поля ИП1 движение воздушного судна стабилизируется таким образом, чтобы проекция его траектории на плоскость XZ лежала на оси O. Для этого используются как горизонтальные (Нх и Нz), так и вертикальная (Ну) компоненты вектора напряженности магнитного поля Кроме того, амплитуда Нх служит для непрерывного вычисления высоты полета y воздушного судна. Магнитное поле ИП2, представляющего собой плоскую прямоугольную рамку, служит для определения дальности воздушного судна. Начало используемой прямоугольной системы координат ОХУZ выбрано на некотором удалении от торца и вглубь ВПП, причем осевая линия ВПП совпадает с осью ОZ. Проводники П5, П6, П7, П10 и П11 параллельны оси ОZ, и проводники П1, П2, П3, П4, П9 и П8 параллельны оси ОХ. Вычисления магнитных полей от возбуждаемых ИП1 и ИП2 целесообразно производить для случая низких частот, когда влиянием электромагнитных свойств нижнего полупространства можно пренебречь. Согласно закону Био-Савара-Лапласа каждый элемент проводника длиной dl с током I создает в произвольной точке А (фиг.1) напряженность магнитного поля, которую можно рассчитать по формуле где - вектор элемента проводника с модулем dl, проведенный в направлении тока; - радиус-вектор, проведенный из этого элемента тока в точку А. Вектор перпендикулярен плоскости, в которой лежат Интегрированием уравнения (1) по длине проводников, указанных на фиг.1 для указанного на этой же фигуре мгновенного направления тока, можно найти значения компонент вектора напряженности магнитного поля в произвольной точке А, расположенной в верхнем полупространстве (для краткости все промежуточные вычисления опущены). Таким образом, суммарное магнитное поле от ИП1 в точке А по компонентам: Hx=Hx5+Hx6+Hx7, Hy=Hy1+Hy2+Hy3+Hy4+Hy5+Hy6+Hy7, (2) Hz=Hz1+Hz2+Hz3+Hz4. Если воздушное судно над осью OZ (точка Р, фиг.1), то магнитные поля проводников П1, П2 и П3, П4 взаимно компенсируются и тогда имеем более простую картину: Hy=Hy5+Hy6+Hy7, (3) Hz=0. На фиг.2 изображено поле в плоскости ХУ, а на фиг.3 - в плоскости УZ. В первом случае z=500 м, что соответствует равному удалению от концов проводников. Во всех случаях для расчета измерения полей использованы следующие значения параметров уравнений: l=1000 м; b=2000 м; d=3000 м; I1=I2=10 А. На фиг. 4 показано сечение суммарного поля от проводников П5, П6 и П7 в плоскости ХУ, проходящей через точку z=500 м. Эта составляющая меняет знак при переходе через плоскость YZ и характеризуется большим значением производной dH/dx при небольших x. Напряженность магнитного поля торцевых проводников П1-П4 быстро падает с приближением к плоскости УZ, в которой суммарное поле от этих проводников равно нулю, вследствие взаимной компенсации. Для источника ИП2 магнитное поле отыскивается для случая x=0, т.е. в плоскости УZ (точка Р на фиг.1). Суммарное поле от ИП2 в точке Р по компонентам:Hy=Hy8+Hy9+Hy(10,11), (4)
Hz=Hz8+Hz9+Hz(10,11),
Hx=0. Составляющая Нz от ИП2 на небольших и средних высотах y мала, поэтому для определения дальности наиболее пригодна составляющая Ну. На фиг.5 показана зависимость Ну от z для трех постоянных значений высоты полета y=100, 200 и 300 м. Произведем оценку некоторых погрешностей. Пусть воздушное судно находится на заключительном этапе посадки перед касанием с ВПП, причем симметрично относительно проводника 6. Примем, что расстояние всех трех датчиков бортовых магнитометров [2] от ВПП y=3 м, а расстояние датчиков, расположенных на крыльях от плоскости Y, также равно 3 м. При токе 2I1=20 А амплитуда Нх на центральном датчике составит 1,062 А/м или 1,3310-5 Тл (B = 0H, 0 = 410-7Г/м),), а Ну=0. На боковых датчиках
Рассмотрим худший вариант, когда определение высоты полета производится с помощью датчика на крыле по компоненте Нх. Поскольку угловое разрешение датчика на каждой компоненте =1'=0,0029 рад, то можно оценить паразитный сигнал Hx на Х-компоненте от составляющей Ну:
Величина Hx составляет 0,29% от Нх, что на высоте 3 м и приводит к погрешности определения высоты около 1 см. Для измеренного на крыле сигнала по Y-компоненте Нуи можно записать Hyи = HHy. Здесь Hy - погрешность, обусловленная тем, что Y-компонента датчика ориентирована под малым углом к вертикальной плоскости, проходящей через осевую линию самолета. Из-за влияния паразитного сигнала составляющей Нх можно записать Нуи=НуНхtg. При Н=0,75 А/м, tg=0,0029 рад |Hy| = 0,002 A/м.
Пусть амплитуда поля равна Но, тогда можно получить, что
,
отсюда
или
Здесь x - кажущееся смещение самолета относительно плоскости YZ от паразитного сигнала Н на Y-компонентe. Полагая снова, что Но=1,062 А/м, y=x= 3 м, найдем x 0,0023 м для =1'. Если =5', то х=0,0115 м. Пусть расстояние от линии, соединяющей датчики на крыльях, до датчика на фюзеляже равно 5 м. Найдем угловую погрешность измерения курса :
т. е. теоретически перед касанием с ВПП может составлять менее 1'. Алгоритм выведения воздушного судна к ВПП предполагается заложить в программу бортовой ЭВM. Здесь отметим некоторые его позиции. При заключительном этапе посадки, начиная с высоты порядка 100 м, производится прецизионное наведение судна на ВПП. Для этого непрерывно сравниваются сигналы Нх и Ну с датчиков, расположенных на крыльях и фюзеляже. Если судно движется точно вдоль осевой линии, то должны выполняться условия: Нхл= Нхп, Нхц > Нхл, Нхц > Нхп, Нул=-Нуп, Нуц=0, где буква л означает, что датчик находится на левом крыле (если смотреть по ходу движения судна), буква п относится к датчику, расположенному на правом крыле, а буква ц означает, что датчик находится в центре, симметрично по отношению к двум выше указанным датчикам. Поскольку точки расположения всех трех датчиков на судне зафиксированы, то выполнение условий Нул=-Нуп, Нуц=0 означает жесткую стабилизацию направления полета судна точно вдоль осевой линии ВПП. Поле Н меняет знак при переходе через плоскость YZ (фиг.4). Поэтому по знакам сигналов, снимаемых с Y-компоненты датчиков, легко определяется, с какой стороны от плоскости YZ находится в данный момент датчик, а по амплитуде сигнала определяется его отклонение от плоскости YZ. В отличиe от компоненты Ну Нх не меняет знак при переходе через плоскость YZ. Поэтому информацию о смещении судна дает только сравнение амплитуд на Х-компонентах датчиков. Достоинством Нх является то, что она имеет большую интенсивность по сравнению с Ну с ростом высоты. Так, на высоте около 50 м амплитуда Нх на порядок больше амплитуды Ну. Производные dHy/dHx и dHx/dx зависят от x, поэтому их непрерывное вычисление по текущим измерениям Ну и Нх на разных датчиках дает дополнительный канал информации о смещении судна при выполнении посадки. Сигналы с Z-компоненты датчиков могут быть использованы при заходе на посадку. При подлете судна к аэродрому под некоторым углом к оси ОZ проекция траектории судна пересекает либо проводник П1, либо П2 (фиг.1). При этом Z-компоненты датчиков фиксируют сигнал полей этих проводников. Абсолютная величина сигнала будет плавно нарастать с приближением к проводнику и проходить максимум точно над проводником. Причем над проводниками П1 и П2 сигналы будут иметь противоположные знаки, и судно может определить, слева или справа от оси ОZ он приближается к ВПП. Точка прохождения максимума сигналов выполняет роль своеобразного маркера для предварительного определения расстояния до ВПП. Пороговая чувствительность современных датчиков по переменному полю составляет 10-4 нТл, что позволяет уверенно регистрировать магнитные поля от ИП1 и ИП2 на расстояниях свыше 1 км. Так, при токе на ИП1 I=10 А, l=1 км составляющая индукция магнитного поля Bx = 0Hx, используемая для определения высоты полета, на высоте 1 км составляет 210-9 Тл, что в 200000 раз превышает пороговую чувствительность датчика. Составляющая поля Ву от ИП2, используемая для определения дальности, при l=1000 м, b=2000 м, I2=10 А, y= 100 м на расстоянии 1 км от торца ВПП составляет 1,710-10 Тл, что в 17000 раз больше пороговой чувствительности датчика. При низком пороге чувствительности датчиков имеется возможность увеличить измерения дальности и высоту судна относительно ВПП и уменьшить ток в системе проводников, а следовательно, мощность задающих генераторов Г1 и Г2. Количество и точность поступающей на судно информации оказываются достаточными для того, чтобы с помощью имеющегося на судне вычислительного устройства спроектировать траекторию снижения и затем осуществить прецизионную посадку судна на ВПП. Из-за возможности полной автоматизации процесса посадки действие данной СП оказывается независимым от условий видимости на ВПП, что несомненно сулит большой положительный экономический и экологический эффект. Расчеты показывают, что стоимость предлагаемой системы посадки и ее обслуживание на порядок меньше существующих СП. Литература
1. В.В. Глухов и др. "Авиационное и радиоэлектронное оборудование летательных аппаратов", изд. Транспорт, 1983 г., 141 с. 2. Патент России 2095293, 1993 г. 3. Патент Франции 2007336, кл. В 64 F 1/00, 1970 (прототип).
Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 06.05.2006
Извещение опубликовано: 27.03.2007 БИ: 09/2007