многопозиционная система посадки воздушных судов

Формула изобретения

1. Многопозиционная система посадки воздушных судов, содержащая наземный запросчик и не менее трех наземных приемников ответных сигналов, соединенных по выходам через сигнальную линию связи с наземной ЭВМ управления, управляющий выход которой через радиолинию управления посадкой воздушного судна соединен с бортовой аппаратурой воздушного судна, включающей бортовую аппаратуру управления воздушным судном и бортовой ответчик, соединенный через радиолинию «запрос-ответ» с наземным запросчиком, причем ЭВМ управления снабжена модулем расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки, отличающаяся тем, что бортовая аппаратура воздушного судна дополнительно содержит бортовой измеритель высоты воздушного судна, соединенный по выходу с бортовым ответчиком, а модуль расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки выполнен с учетом измерений высоты полета воздушного судна и разности дальностей до воздушного судна относительно местоположений запросчика и приемников ответных сигналов, при этом два наземных преемника ответных сигналов установлены по бокам от осевой линии взлетно-посадочной полосы в районе ее центра со смещением от осевой линии не менее чем на пятьсот метров, а последующие приемники - по одному с каждой стороны захода воздушного судна на посадку и на расстоянии, не меньшем четыреста метров от торца взлетно-посадочной полосы.

2. Многопозиционная система по п.1, отличающаяся тем, что бортовой измеритель высоты воздушного судна содержит барометрический, радио и/или лазерный высотомер.

3. Многопозиционная система по п.1, отличающаяся тем, что линия связи наземных приемников ответных сигналов с наземным вычислителем местоположения воздушного судна выполнена оптоволоконной и/или радиолинией связи типа «WiMax».

4. Многопозиционная система по п.1, отличающаяся тем, что радиолиния управления посадкой воздушного судна выполнена в виде двунаправленной радиолинии обмена данными «борт-земля» или однонаправленной радиолинии передачи сигналов управления с наземной ЭВМ управления на борт воздушного судна.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к авиации, конкретно к многопозиционным системам посадки воздушных судов (ВС) в условиях сложного рельефа местности.

Известна система посадки ВС стандарта ILS [Журнал «Проблемы безопасности полетов» 1998 г. № 4, 5, 12; MLS products are back in business 1997 г. № 9], используемая на стационарных аэродромах международного класса.

Недостатком известной системы ILS является повышенные требования по обзорности и видимости посадочной полосы аэродрома с борта ВС, заходящего на посадку.

Известна система посадки воздушных судов [US 6469654, МПК: G01S 13/76; G01S 13/91; G01S 3/46, 2002], так называемая транспондерная система TLS. Система посадки TLS в первую очередь предназначена для установки там, где трудно обеспечить требуемые точности приземления ВС по условиям рельефа местности в районе аэродрома. При этом система TLS использует стандартное бортовое оборудование ВС, что является достоинством данной системы посадки. В настоящее время системы посадки TLS активно внедряются в гражданской и военной авиации США. В различных странах мира на аэродромах со сложным рельефом местности уже несколько лет эксплуатируются системы TLS.

Работа известной системы TLS основана на использовании аппаратуры вторичной радиолокации (ВРЛ). При этом в районе взлетно-посадочной полосы (ВПП) устанавливают маломощный запросчик системы вторичной радиолокации (ВРЛ), который запрашивает воздушные суда (ВС), находящиеся в зоне посадки. По задержке прихода ответного сигнала определяют дальность, а для определения угла места и азимута применяются аппаратура, использующая фазометрический метод измерения углов. Для идентификации ВС, заходящих на посадку, диспетчер вводит в TLS бортовой номер ВС. Для обеспечения требуемой точности определения координат местоположения ВС используется сложная обработка информации с использованием Калмановской нелинейной фильтрации. По координатам местоположения ВС рассчитывают его отклонение от расчетной глиссады. Рассчитанные отклонения ВС от глиссады передаются на борт по линии передачи сигналов управления (ЛПСУ) в формате сигналов системы посадки ILS, которые принимаются бортовыми приемниками курса и глиссады системы ILS и дальше передаются в систему автоматического управления (САУ) ВС или выводятся на индикацию пилоту. Таким образом, система TLS обеспечивает посадку ВС, используя при этом стандартное бортовое оборудование.

Недостатком системы посадки TLS является фазометрический способ измерения углов, который требует применения достаточно сложных антенн и аппаратуры, поэтому стоимость TLS превосходит стоимость ILS.

Ближайшим аналогом (прототипом) изобретения является многопозиционная система посадки воздушных судов [США № 5017930, B64D 45/04; B64F 1/18; G01S 1/16; G01S 1/18; G01S 13/74; G01S 13/88; G01S 13/91; G01S 19/48; G01S 3/02; G01S 5/00; G01S 5/14; G08G 5/02; 1991], содержащая наземный запросчик и не менее четырех наземных приемников ответных сигналов, соединенных по выходам через сигнальную линию связи с наземной ЭВМ управления, управляющий выход которой через радиолинию управления посадкой воздушного судна соединен с бортовой аппаратурой воздушного судна, включающей бортовую аппаратуру управления воздушным судном и бортовой ответчик, соединенный через радиолинию «запрос-ответ» с наземным запросчиком, причем ЭВМ управления снабжена модулем расчета координат воздушного судна (ВС) и отклонения его от траектории посадки. При этом три приемника ответных сигналов ВС расположены перпендикулярно оси ВПП, в районе ее центра, а другие приемники расположены на продолжении оси ВПП по одному с каждой стороны захода на посадку ВС и на некотором удалении от торца ВПП. Таким образом, приемники ВРЛ на поверхности аэродрома образуют букву "Т". Местоположение всех приемников точно определено в аэродромной декартовой системе координат. Современные геодезические приборы позволяют делать привязку с точностью единицы сантиметров. Поэтому точно известно время передачи сигналов от приемников в центральный вычислитель, которое в дальнейшем учитывается при расчете местоположения ВС. Принцип действия прототипа заключается в следующем, запросчик запрашивает ВС находящиеся в зоне посадки. Все приемники и запросчик синхронизированы системой единого времени. По задержке прихода ответного сигнала определяются дальности до ВС. Так же, как и в системе TLS, по бортовому номеру осуществляется идентификация ВС заходящих на посадку. Для определения координат местоположения ВС используется метод Калмановской нелинейной фильтрации [Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана. Издательство: Мир, 1988, 86 с.]. По координатам местоположения ВС рассчитывают его отклонение от заданной траектории посадки по курсу и глиссаде. Рассчитанные отклонения ВС передаются на борт по линии передачи сигналов управления (ЛПСУ) в формате сигналов системы посадки ILS, которые принимаются бортовыми приемниками курса и глиссады системы ILS и дальше передаются в бортовую систему автоматического управления (САУ) ВС или выводятся на индикацию его пилоту.

Данная система посадки имеет недостаточную надежность безопасного вывода ВС на ВПП, связанную с высокими погрешностями в определении местоположения ВС.

Это связано с тем, что особенностью системы вторичной радиолокации (ВРЛ), используемой в системах посадки ВС, является то, что при формировании ответного сигнала, например в режиме «RBS» или режиме «S», в бортовых ответчиках возникают существенные задержки, которые являются детерминированными (постоянными) для конкретного ответчика ВС. Величина задержки в пересчете на дальность может достигать 150 метров. Такие задержки не приемлемы для систем посадки, где местоположение ВС должно определяться с точностью несколько метров. Как показано выше для расчетов местоположения ВС в прототипе изобретения используется Калмановская фильтрация. При этом в вектор состояния включают три координаты местоположения ВС, три скорости изменения координат местоположения ВС по соответствующим осям аэродромной системы координат (СК), а также задержку ответного сигнала ВРЛ. В теории Калмановской фильтрации существует понятие "наблюдаемость", которое определяет возможность получения оценок вектора состояния по имеющимся измерениям. Для определения наблюдаемости Калмановских фильтров был разработан (см. Красовский А.А., Белоглазов И.Н., Чигин Г.П. Теория корреляционно-экстремальных навигационных систем. М. Наука, 1979.) необходимый и достаточный критерий. В соответствии с этим критерием ранг матрицы составленной из матрицы вектора наблюдения и матриц производных вектора наблюдения, должен быть равен размерности вектора состояния синтезируемого фильтра. В данном случае вектор состояния, включающий указанную выше задержку ответного сигнала, будет не наблюдаем, т.е. Калмановским методом величину задержки ответного сигнала ВРЛ определить невозможно. Таким образом, рассматриваемая система посадки будет иметь большие погрешности в определении местоположения ВС.

Задачей изобретения является повышение надежности безопасного вывода ВС на ВПП. Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является снижение погрешностей в определении местоположения ВС.

Достижение заявленного технического решения и, как следствие, решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что многопозиционная система посадки воздушных судов, содержащая наземный запросчик и не менее трех наземных приемников ответных сигналов, соединенных по выходам через сигнальную линию связи с наземной ЭВМ управления, управляющий выход которой через радиолинию управления посадкой воздушного судна соединен с бортовой аппаратурой воздушного судна, включающей бортовую аппаратуру управления воздушным судном и бортовой ответчик, соединенный через радиолинию «запрос-ответ» с наземным запросчиком, причем ЭВМ управления снабжена модулем расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки, согласно изобретению бортовая аппаратура воздушного судна дополнительно содержит бортовой измеритель высоты воздушного судна, соединенный по выходу с бортовым ответчиком, а модуль расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки выполнен с учетом измерений высоты полета воздушного судна и разности дальностей до воздушного судна относительно местоположений запросчика и приемников ответных сигналов, при этом два наземных преемника ответных сигналов установлены по бокам от осевой линии взлетно-посадочной полосы в районе ее центра со смещением от осевой линии не менее чем на пятьсот метров, а последующие приемники - по одному с каждой стороны захода воздушного судна на посадку и на расстоянии, не меньшем четыреста метров от торца взлетно-посадочной полосы.

При этом бортовой измеритель высоты воздушного судна содержит барометрический, радио и/или лазерный высотомер. Линия связи наземных приемников ответных сигналов с наземным вычислителем местоположения воздушного судна выполнена оптоволоконной и/или радиолинией связи типа «WiMax». Радиолиния управления посадкой воздушного судна выполнена в виде двунаправленной радиолинии обмена данными «борт-земля» или однонаправленной радиолинии передачи сигналов управления с наземной ЭВМ управления на борт воздушного судна.

Дополнительное введение в бортовую аппаратуру воздушного судна бортового измерителя высоты воздушного судна, соединенного по выходу с бортовым ответчиком, а также выполнение модуля расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки с учетом измерений высоты полета воздушного судна и разности дальностей до воздушного судна относительно местоположений запросчика и разнесенных приемников ответных сигналов позволяет снизить погрешности в определении местоположения ВС до приемлемых значений и, как следствие, повысить надежность безопасного вывода ВС на ВПП.

Выполнение линии связи наземных приемников ответных сигналов с наземным вычислителем местоположения воздушного судна оптоволоконной и/или радиолинией связи типа «WiMax», обладающих повышенным быстродействием и пропускной способностью, позволяет дополнительно повысить надежность безопасного вывода ВС на ВПП за счет оперативной передачи данных для расчета координат и корректировки траектории посадки ВС на ВПП.

Выполнение бортового измерителя высоты воздушного судна в виде барометрического, радио и/или лазерного высотомера, а также выполнение радиолинией управления посадкой воздушного судна в виде двунаправленной радиолинии обмена данными «борт-земля» или однонаправленной радиолинии передачи сигналов управления с наземной ЭВМ управления на борт воздушного судна позволяют использовать известные средства элементной базы для успешной реализации заявленной системы посадки.

На фиг.1 представлена функциональная схема многопозиционной системы посадки воздушных судов, на фиг.2 - пространственное расположение ее элементов относительно взлетно-посадочной полосы.

Многопозиционная система посадки воздушных судов (ВС) содержит наземный запросчик 1, соединенный через радиолинию 2 «запрос» и радиолинию 3 «ответ» с бортовой аппаратурой 4 управления воздушным судном 5 и не менее трех наземных приемников 6 ответных сигналов, соединенных по выходам через сигнальную линию 7 связи с наземной ЭВМ 8 управления. Линия 7 связи наземных приемников ответных сигналов с наземным вычислителем местоположения воздушного судна выполнена быстродействующей и содержит оптоволоконную и/или широкополосную радиолинию связи типа «WiMax». Бортовая аппаратура 4 управления воздушным судном 5 содержит рабочее место 9 пилота, соединенное по высокочастотному входу через радиолинию 10 управления посадкой с ЭВМ 8, а также содержит бортовой ответчик 11, соединенный по низкочастотному входу с бортовым измерителем 12 высоты воздушного судна 5, а по высокочастотному входу/выходу - с радиолинией 2 и 3 «запрос» и «ответ» соответственно. При этом бортовой измеритель 12 высоты воздушного судна содержит барометрический, радио и/или лазерный высотомер. Рабочее место пилота 9 включает соединенные через бортовую ЭВМ индикаторное устройство, органы ручного и автоматизированного управления полетом воздушным судном 5 и средства радиосвязи, соединенные с радиолинией 10 управления посадкой. Радиолиния 10 выполнена в виде двунаправленной радиолинии обмена данными «борт-земля» или однонаправленной радиолинии передачи (наземный радиопередатчик 10.1 - бортовая приемная антенна 10.2) сигналов управления с наземной ЭВМ 8 управления на борт воздушного судна. ЭВМ 8 управления снабжена модулем расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки. Модуль расчета координат воздушного судна и отклонения его от траектории посадки ЭВМ 8 выполнен с учетом измерений высоты полета воздушного судна и разности дальностей до воздушного судна 5 относительно местоположений запросчика 1 и приемников 6 ответных сигналов. Рациональное размещение запросчика 1 и приемников 6 на аэродроме приведено на фиг.2. При этом запросчик 1 по месту расположения и аппаратурно совмещен с одним из приемников 6 ответных сигналов. Два наземных приемника 6 ответных сигналов установлены по бокам от осевой линии взлетно-посадочной полосы 13 в районе ее центра со смещением от осевой линии не менее чем на пятьсот метров, а последующие приемники - по одному с каждой стороны захода воздушного судна на посадку и на расстоянии, не меньшем четыреста метров от торца взлетно-посадочной полосы. В отличие от прототипа используются в системе посадки не четыре и более, а три и более приемников 5 сигналов бортового ответчика 11 без потери точности измерения координат ВС 4. При этом точность измерения местоположения ВС 5 по оси Z (фиг.1), будет зависеть от расстояния между приемниками 6, расположенными перпендикулярно оси ВПП 13. Третий приемник 6 вдоль оси ВПП 13 целесообразно размещать на удалении 400 и более метров от торца ВПП 13 со стороны захода на посадку. Для обеспечения захода на посадку ВС 5 с двух направлений ВПП 13 необходимо устанавливать третий и четвертый приемники 6 с каждого направления посадки. При размещении приемников 6 должно обеспечиваться выполнения требований по безопасной высоте препятствий. Для улучшения измерения высоты полета ВС 5 на больших удалениях от ВПП 13 могут быть установлены дополнительные приемники 6 на больших удалениях от ВПП 13. При этом все приемники 6 снабжаются аппаратурой высокоскоростной передачи данных, как было указано выше, по оптоволокну или воздушным линиям связи типа «WiMax». При установке приемников 6 должно быть точно определено их местоположение в аэродромной службе. Это можно обеспечить с помощью лазерного теодолита. Таким образом, будет точно известно расстояние Li от приемников 6 до ЭВМ 8, а значит, время передачи информации может быть учтено при расчетах местоположения ВС 5.

Многопозиционная система посадки воздушных судов работает следующим образом. В запросчике 1 формируется запросный сигнал, который излучается в секторе захода ВС 5 на посадку. После получения запросного сигнала в бортовом ответчике 11 формируется и излучается ответный сигнал с данными о высоте полета ВС 5, полученными с выхода измерителя 12 высоты ВС 5, например с барометрического высотомера. Ответный сигнал, принимается приемниками 6 многопозиционной системы посадки. Ответный сигнал с выхода приемников 6 передается по линиям связи 7 на вход ЭВМ 8. В ЭВМ 8 фиксируют время прихода сигнала с каждого приемника 6. Зная расстояние между приемниками 6 и ЭВМ 8 определяет время прихода сигналов в эти приемники 6. Уравнение дальности для распространения сигнала с момента запроса и до получения ответного сигнала i-м приемником 6 определяется следующим выражением

где,

d_i - дальность от ВС 5 до i-го приемника 6;

d₀ - дальность от запросчика до ВС 5;

x_m , y_m, z_m - координаты приемников 6 ответных сигналов;

x_з, y_з, z _з - координаты запросчика 1;

x, y, z - координаты ВС 5;

- задержка ответного сигнала в бортовом ответчике 11;

c -скорость света.

Как видно из формулы (1) в каждый временной отрезок входит задержка ответчика . Для определения местоположения ВС 5, а также исключения влияния задержки ответчика, можно воспользоваться известным разностно-дальномерным методом. Определив разность дальностей между различными парами приемников 6 ЭВМ 7 решает систему трех уравнений с тремя неизвестными, в которой отсутствует задержка бортового ответчика 11 и дальность от запросчика 1 до ВС 5. Разностно-дальномерные уравнения в ЭВМ 8 представлены в следующем виде:

,

,

₁₂=t₁-t₂,

₁₃=t₁-t₃,

₄₃=t₄-t_3,

t₁, t₂, t₃, t₄ - время прихода ответного сигнала на соответствующий приемник 6 с момента излучения запросного сигнала;

x, y, z - координаты ВС 5.

Из системы уравнений (2) ЭВМ 8 численными методами находит координаты ВС 5 с точностью десятки-сотни метров, что недостаточно для безопасной посадки ВС 5. Для увеличения точности измеренных координат ВС 5 до единиц метров ЭВМ 8 использует далее информацию о высоте полета ВС 5, передаваемую в ответном сигнале ответчика 11. Для наихудшего случая (использование барометрического высотомера 12) точность измерения барометрической высоты составляет 15-20 метров. При этом ошибка измерения высоты ВС 5 состоит в основном из систематической составляющей ошибки, а флуктуационная составляющая ошибки измерения высоты по величине на порядок меньше. Кроме этого, при передаче барометрической высоты появляется ошибка, связанная с дискретностью ее передачи. Так, в режиме «RBS» дискрет передаваемой высоты равен 30 м, т.е. среднеквадратическая ошибка передачи барометрической высоты составит 15 метров. Следовательно, суммарная ошибка определения барометрической высоты в системе посадки составит порядка 21-25 метров. Формула дальности ВС 5 с учетом ошибки определения барометрической высоты

где:

H_б - ошибка определения барометрической высоты.

Из формулы (3) следует что при дальности действия системы посадки до 40 км и секторе зоны посадки ±40° от оси ВПП ошибка измерения дальности ВС 5, связанная с относительно высокой ошибкой измерения барометрической высоты составит порядка 1 метра. По формуле (3) для совмещенного запросчика 1 и приемника 6 ЭВМ 8 рассчитывает дальность до ВС 5 с использованием информации о барометрической высоте его полета. Далее из измеренной дальности между ЭВМ 8 и ВС 1 вычитается ранее рассчитанная дальность из выражения (1) и определяется ошибка измерения дальности, связанная с задержкой ответного сигнала ответчика 11. Затем ЭВМ 8 вычитает ошибку измерения дальности, связанную с задержкой ответного сигнала, из соответствующих измерений дальности i-го приемника 6, и получает уточненные значения дальностей от ВС 5 до соответствующих приемников 6. Далее используя Калмановскую фильтрацию [Балакришнан А.В. Теория фильтрации Калмана. Издательство: Мир, 1988, 86 с.] дополнительно уменьшают влияние флуктуационных ошибок измерения дальностей, связанных с распространением сигнала и обработкой в приемниках 6. В вектор измерения ЭВМ 8 включает три дальности, а в вектор состояния включает координаты местоположения ВС 5 и параметры его движения (скорости) по осям декартовой аэродромной системы координат. В качестве модели движения ВС 5 в ЭВМ 8 принята гипотеза о его прямолинейном и равномерном движении, что хорошо согласуется с реальным движением ВС 5 по глиссаде 14. По мере приближения ВС 5 к ВПП 13 точность определения его местоположения будет увеличиваться за счет улучшения геометрии относительного расположения ВС 5 и приемников 6. Далее в ЭВМ 8 рассчитывается отклонение ВС по курсу Е_к и углу места Е_г от заданной глиссады 14 захода на посадку, заложенной в память ЭВМ 8 для ВПП 13 аэродрома. Угловые отклонения ВС 5 по курсу Е_к и глиссаде Е _г с выхода ЭВМ 8 передаются через линию 10 радиоуправления на борт ВС 5 в формате инструментальных систем посадки, например ILS, или передаются по линии обмена данными. Принятые на борту сигналы отклонения ВС 5 от траектории посадки отображаются на рабочем месте пилота и используются последним в ручном или автоматизированном режимах управлении посадкой ВС 5.

Изобретение не ограничивается вышеприведенным примером его осуществления. В его рамках возможны и другие варианты его осуществления. Так в случае невозможности территориального размещения приемников 6 на продолжении оси ВПП 13 на некотором удалении от ее торца, для измерения высоты может быть использован измеритель угла места, например, основанный на измерении фазы приходящего сигнала. При этом горизонтальные координаты будут рассчитываться по формулам (2) по информации трех приемников 6 ответных сигналов.

При наличии на борту ВС 5 и на земле аппаратуры обмена данными, целесообразно с ВС 5 в систему посадки передавать информацию о параметрах его движения измеряемые например, бортовым приемником спутниковой системы радионавигации типа ГЛОНАСС/GPS или с инерциальной навигационной системы. При использовании Калмановской фильтрации знание параметров движения ВС 5 позволит дополнительно повысить точность определения его местоположения.

Изобретение разработано на уровне технического предложения и математического моделирования.