способ определения кратчайшего расстояния до высоковольтной линии электропередач с борта летательного аппарата

Формула изобретения

Способ определения кратчайшего расстояния до высоковольтной линии электропередач (ЛЭП) с борта летательного аппарата (ЛА), заключающийся в том, что принимаются электрические колебания электромагнитного поля, излучаемого проводами ЛЭП измерителем вектора напряженности электрического поля (ИВН), снабженного избирательным полосовым фильтром (ИПФ), отфильтровывающим все частоты, кроме промышленной частоты, ИВН измеряет три взаимно ортогональные составляющие вектора напряженности электрического поля в системе координат корпуса ИВН, которые пересчитываются в земную систему координат и по ним вычисляются величина вертикальной составляющей вектора напряженности электрического поля и угол, определяющий направление горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля относительно оси Х земной системы координат, причем по направлению горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля определяют ориентацию в пространстве перпендикулярной к ней ЛЭП, а по отношению вертикальных составляющих вектора напряженности электрического поля, измеренных в двух точках траектории ЛА и по пилотажно-навигационным параметрам ЛА, измеряемым интегрированной навигационной системой в этих же точках, вычисляется кратчайшее расстояние до ЛЭП по выведенной формуле

где D₂ - кратчайшее расстояние от ЛА до ЛЭП;

Н₂ - высота полета ЛА над уровнем ЛЭП, при его положении во второй точке;

r - изменение кратчайшего расстояния от ЛА до ЛЭП в горизонтальной плоскости при перемещении ЛА из первой точки во вторую;

sgn (r) - знак величины r;

m² - отношение вертикальных составляющих электрического поля измеренных в двух точках;

H₁ - высота полета ЛА над уровнем ЛЭП, при его положении в первой точке.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области локационной техники, а именно к обеспечению безопасности полетов летательных аппаратов (ЛА) в местах расположения высоковольтных линий электропередач (ЛЭП) при любых погодных условиях, в том числе и неблагоприятных, и касается способа определения: кратчайшего расстояния до ЛЭП, ориентации ЛЭП в пространстве с борта ЛА и устройства для реализации способа. Решение указанной задачи является актуальной для всех ЛА.

Существуют способы предупреждения столкновений вертолетов с препятствиями, которые находятся на его трассе, с помощью активных радиолокационных станций, работающих в сантиметровом диапазоне волн [1]. Применение этих станций не всегда эффективно, вследствие малой эффективной площади рассеяния ЛЭП и существенном поглощении сигнала в неблагоприятных условиях (дождь, туман, снег и т.д.).

Известен способ [2] предупреждения столкновений с ЛЭП, использующий прием электромагнитных колебаний, излучаемых ЛЭП в области радиоволн. Способ заключается в том, что с помощью приемного устройства, размещенного на вертолете, принимают электромагнитные колебания, излучаемые ЛЭП в области радиоволн, сравнивают значения принятых сигналов с опорными напряжениями, соответствующими величинам напряженности электромагнитного поля, излучаемого ЛЭП на известном расстоянии от нее и по результатам сравнения принимают решение о корректировке направления полета вертолета.

Однако принятые сигналы напряженности электромагнитного поля от ЛЭП в области радиочастот, а также результаты их сравнения с опорными напряжениями являются функцией погодных условий. Так уровни напряженности электромагнитного поля излучаемого ЛЭП, вызванные высокочастотными переходными процессами могут быть на 10-20 дБ больше при высокой влажности, тумане или дожде, чем при сухой погоде [З], в результате чего при обработке сигнала растет ошибка определения кратчайшего расстояния до ЛЭП.

Недостатком прототипа [2] является зависимость указанных результатов сравнения от неблагоприятных погодных условий при работе на радиочастоте, что существенно сужает область возможного использования этого способа.

Задачей данного изобретения в части способа является устранение указанного недостатка, а именно - исключение зависимости точности определения кратчайшего расстояния до ЛЭП от погодных условий (т.е. дождь, туман и т.д.) и определение ориентации ЛЭП в пространстве.

Поставленная задача достигается тем, что принимаются электромагнитные колебания, излучаемые проводами ЛЭП измерителем вектора напряженности (ИВН), снабженного избирательным полосовым фильтром (ИПФ), отфильтровывающим все частоты, кроме промышленной частоты, ИВН преобразует принятый вектор напряженности электрического поля в три взаимно ортогональные составляющие вектора напряженности электрического поля, по ним вычисляются: величина вертикальной составляющей вектора напряженности электрического поля и угол, определяющий направление горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля относительно оси Х земной системы координат, причем по направлению горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля определяют ориентацию в пространстве перпендикулярной к ней ЛЭП, а по отношению вертикальных составляющих вектора напряженности электрического поля, измеренных в двух точках траектории ЛА и пилотажно-навигационным параметрам ЛА в этих же точках вычисляется кратчайшее расстояние до ЛЭП по выведенной формуле:

где D₂ - кратчайшее расстояние от ЛА до ЛЭП (см. фиг.1);

H₂ - высота полета ЛА над уровнем ЛЭП, при его положении во второй точке;

r - изменение кратчайшего расстояния от ЛА до ЛЭП в горизонтальной плоскости при перемещении ЛА из первой точки во вторую;

sgn(r) - знак величины r;

m² - отношение вертикальных составляющих электрического поля измеренных в двух точках;

H₁ - высота полета ЛА над уровнем ЛЭП, при его положении в первой точке.

Изобретение поясняется чертежами фиг.1, фиг.2, фиг.3.

На фиг.1 представлена схема дополнительных построений для вывода формулы определения кратчайшего расстояния до ЛЭП, где:

BL - высоковольтная линия электропередач;

FKLB - горизонтальная плоскость проведенная на уровне проводов ЛЭП: Нпр (Нпр=20-30 метров);

Нпр - высота подвеса проводов ЛЭП;

AFB, CKL - вертикальные плоскости, перпендикулярные горизонтальной плоскости FKLB и ЛЭП;

А и С - точки положения ЛА в моменты последовательных замеров напряженности поля ЛЭП;

точки F и К -проекции точек А и С на горизонтальную плоскость FKLB;

FB и KL - кратчайшее расстояние до ЛЭП в горизонтальной плоскости;

r=FB-KL - изменение кратчайшего расстояния до ЛЭП в горизонтальной плоскости при перемещении ЛА из точки А в точку С;

D₁ (линия АВ) и D2 (линия CL) - кратчайшее расстояние до ЛЭП при положении ЛА в точках А и С;

H₁ (линия AF), Н₂ (линия СК) - высота полета ЛА над уровнем ЛЭП, при его положении в точках А и С.

На фиг.2 представлена функциональная схема устройства для реализации способа определения кратчайшего расстояния до ЛЭП с борта ЛА, необходимая для пояснения предлагаемого способа как процесса выполнения действий над материальным объектом с помощью материальных средств и подтверждения возможности осуществления заявленного изобретения, где:

1. ИВН - измеритель вектора напряженности электрического поля ЛЭП, известен из [4], снабженный ИПФ, отфильтровывающим все частоты, кроме промышленной частоты.

2. ИННС - интегрированная навигационная система, известная из [5, 6];

3. ВУ - вычислительное устройство;

4. И - индикатор на пульте пилота, известен из [5];

Е^K _X, Е ^K _Y, Е^K _Z - электрические составляющие вектора напряженности электромагнитного поля в системе координат (с.к.) корпуса;

Е ^Л _X, Е^Л _Y, Е^Л _Z - электрические составляющие вектора напряженности электромагнитного поля в с.к. ЛА;

Е^З _X, Е ^З _Y, Е^З _Z - электрические составляющие вектора напряженности электромагнитного поля в земной с.к.;

пилотажно-навигационные параметры:

1. X, Y, Z - координаты ЛА в земной с.к.;

2. - угол тангажа ЛА;

3. - угол крена ЛА;

4. - угол курса ЛА.

На фиг.3 показана схема взаимного расположения ЛА и ЛЭП в земной с.к., где:

XYZ - земная с.к., ось Х направлена на север;

Е - вектор напряженности электрического поля;

Е³ _Х, Е³ _У, Е ³ _Z - составляющие вектора Е в земной с.к;

Е³г - горизонтальная составляющая вектора Е в земной с.к;

Е³в - вертикальная составляющая вектора Е в земной с.к;

- угол, определяющий направление вектора (Е ³г) относительно оси X, а также ориентации ЛЭП относительно оси Z.;

ЛЭП - высоковольтная линия электропередач.

Из фиг.1 видно, что ЛА, двигаясь из точки А в точку С, приближается к ЛЭП. На борту ЛА расположено устройство, функциональная схема которого представлена на фиг.2. Электромагнитные колебания, излучаемые ЛЭП, принимает ИВН. ИВН содержит ИПФ, отфильтровывающий все частоты, кроме промышленной частоты. Принятый сигнал (вектор напряженности электрического поля - Е) ИВН преобразует в три взаимно ортогональные составляющие вектора напряженности электрического поля в с.к. корпуса: Е^K _X, Е ^K _Y, Е^K _Z. В ВУ эти составляющие пересчитываются в земную с.к.: Е³ _X, Е ³ _Y, Е³ _Z. По составляющим Е³ _X, Е³ _Y, Е ³ _Z вычисляются: величина вертикальной составляющей вектора напряженности электрического поля: Е ³в=Е³у и угол =arctg (E³z/Е³ х), определяющий направление горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля (Е³г) относительно оси Х земной системы координат. По направлению горизонтальной составляющей вектора напряженности электрического поля определяют ориентацию в пространстве перпендикулярной к ней ЛЭП (фиг.3).

При выводе формулы для определения кратчайшего расстояния до ЛЭП (D₂) используется отношение величин E^зв измеренных в двух точках траектории ЛА и пилотажно-навигационные параметры ЛА в этих же точках, измеренные ИННС. Благодаря применению относительной, а не абсолютной величины Е³ в неблагоприятные погодные условия (т.е. дождь, туман и т.д.) не влияют на точность определения кратчайшего расстояния до ЛЭП. Зависимость величины Е³ в от кратчайшего расстояния до ЛЭП приведена в [7, стр.315], она аппроксимируется степенным законом с показателем 2. Следовательно, отношение вертикальных составляющих вектора напряженности электрического поля при положении ЛА в точках А и С (Е³ ва и Е³вс) обратно пропорционально отношению квадратов кратчайших расстояний от точек А и С до ЛЭП и обозначено m²:

По навигационным параметрам ЛА в точках А и С, измеренным ИННС, вычисляются координаты точек F и К и величины H _1,, Н₂, r.

Векторы Е ³ва и Е³вс лежат в вертикальных плоскостях AFB, CKL Треугольники AFB и CKL прямоугольные, следовательно:

По координатам точек F и К определено смещение ЛА:

Имеются четыре уравнения (1), (2), (3), (4) с четырьмя неизвестными - D₁, D₂ , FB и KL:

Решение этой системы, дает значение D ₂ - кратчайшего расстояния до ЛЭП в точке С.

Из (3) следует:

Подстановка (6) в (1) дает:

Из (4) следует:

Подстановка (8) в (7) дает:

Умножение обеих частей уравнения (3) на m ² дает:

Правые части уравнений (10) и (11) равны, значит, равны и левые части:

Решение этого квадратного уравнения относительно KL являются корни:

Для определения знака перед корнем рассматривается частный случай Н₂=0, H₁ =0, тогда

Величина KL всегда положительная. Поэтому при r<0 (D₂>D₁) перед корнем знак «-»,тогда

Знаменатель (m+1)>0, ибо m>0.

При r>0 перед корнем знак «+», тогда

Знаменатель m-1>0,так как при r>0, m>1 (то есть D₁>D₂ ).

Следовательно

где sgn(r) - знак величины r.

Подстановка (19) в (2) дает

На основании формул 1-20 кратчайшее расстояние до ЛЭП равняется:

При экспериментальном расчете D ₂ для кратчайших расстояний между ЛА и ЛЭП равным 100-2000 метров был вычислен компенсационный коэффициент К=1,35:

Использованная литература

1. Патент RU N 2099745, кл. G 01 S 13/93, 1996.

2. Патент RU N 2156985, кл. G 01 S 13/93, 2000.

3. Дональд Р.Ж. Уайт Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств и непреднамеренные помехи. Выпуск 1. Общие вопросы ЭМС. Межсистемные помехи. М., Советское радио, 1977.

4. Патент DE 4428336, кл. G 01 R 29/14, 1996.

5. Самолетные навигационные системы, под ред. В.Ю.Поляка, М., Воен. издат. МО СССР, 1973.

6. Международный Авиационно-Космический Салон 19-24 августа 2003, Москва - Жуковский, ЛИИ им. М.М.Громова.

7. П.А.Долин. Основы техники безопасности в электроустановках. М., Энергоатомиздат, 1984.

8. А.А.Лебедев и Л.С.Чернобровкин. Динамика полета. М., Оборониздат, 1962.