CC BY
575
УДК 629.7.05
АНАЛИЗ НАВИГАЦИОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ПОСАДКУ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
А. В. Пучков, С. А. Алдаев Научный руководитель - Г. М. Гринберг
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: puchkov_sanya1995@mail.ru
Рассмотрены существующие системы контроля автоматической посадки БПЛА, рассчитаны погрешности измерений каждого вида датчиков и сформулированы условия их применения.
Ключевые слова: автоматическая система посадки, беспилотный летательный аппарат, навигационное оборудование, GPS-приемник, лазерный высотомер.
NAVIGATION EQUIPMENT ANALYSIS PROVIDING PILOTLESS
VEHICLES LANDING
A. V. Puchkov, S. A. Aldaev Scientific supervisor - G. M. Grinberg
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: puchkov_sanya1995@mail.ru
The automatic landing control systems of the pilotless vehicles are discussed, the measurement errors of each type of sensors are calculated and the conditions of use of each type of sensors are formulated in the article.
Keywords: the automatic landing control systems, pilotless vehicle, navigation equipment, GPS-receiver, laser altimeter.
Малогабаритные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) занимают все более прочные позиции среди общего парка воздушных судов и могут решать широкий спектр задач при относительно низкой стоимости эксплуатации. Рассмотрим класс малогабаритных автономные беспилотные летательные аппараты с взлетной массой 10-50 кг. Особый интерес вызывает вопрос автоматической посадки этих аппаратов. Возможность полета в автоматическом режиме хорошо проработана и описана в литературных источниках, например в [1; 2]. А посадка - крайне сложный и ответственный этап полета для всех типов летательных аппаратов и поэтому задачи автоматической посадки в полной мере не решены.
Проанализируем самолётный тип посадки, который наиболее предпочтителен для БПЛА выбранной массы. Самолетная посадка осуществляется в несколько этапов. Первый этап: снизившись до высоты 25 метров летательный аппарат (ЛА) начинает планирование, то есть прямолинейное и равномерное движение самолета по наклонной вниз траектории (по глиссаде) до высоты 8-10 метров. Затем происходит выравнивание ЛА по курсу, для того чтобы попасть точно на посадочную полосу, и дальнейшее снижение ЛА до высоты 1 метр. Третий этап - выдерживание, предназначенное для уменьшения скорости ЛА. Заключительный этап - посадка, то есть касание с посадочной полосой и пробег с торможением по полосе.
Выделяется несколько основных проблем при совершении посадки: во-первых, это определение высоты, для того, чтобы точно определить точку начала выдерживания, во-вторых, определение вектора воздушной и земной скорости, чтобы направление захода на посадку соответствовало выбранной глиссаде, и, в-третьих, это определение координат и обеспечение заданного горизонтального смещения в направлении, перпендикулярном посадочной траектории.
Секция «Инновационные и здоровьесберегающие технологии в современном образовании»
Главной проблемой является то, что основная часть имеющихся систем либо закрыты (коммерческие разработки, которые недоступны научному сообществу), либо слишком сложные и дорогие. Рассмотрим наиболее доступную радионавигационную аппаратуру, устанавливаемую на БПЛА, такую как приёмник GPS, высокоточный приёмник GPS в дифференциальном режиме, лазерный высотомер. Разберём каждую систему в отдельности.
GPS-приёмники. Принцип действия основан на одновременном измерении расстояния до нескольких вещающих спутников, находящихся на известных и корректируемых орбитах. На основании математических вычислений прибор определяет точку в пространстве - координаты (широту и долготу места на модели поверхности Земли, а также высоту Н относительно среднего уровня моря модели). Недостатком является относительно большая погрешность данного приёмника. Существует два типа погрешности, по горизонтали, что влияет на точность определения длины посадочной полосы, то есть если большая погрешность, посадочной полосы может не хватить для посадки. Второй тип - это вертикальная погрешность, которая показывает отклонение от оси взлётно-посадочной полосы.
Воспользуемся правилом треугольника, чтобы рассчитать требуемое значение запаса длины взлетно-посадочной полосы для обеспечения гарантированного завершения автоматической посадки (рис. 1).
ДН
Рис. 1 - треугольник для расчёта требуемой длины взлётно-посадочной полосы.
Здесь х - угол глиссады; АН - точность датчика прибора; AL - величина изменения длины посадочной полосы.
АН
tg х = —. (1)
AL
Точность датчика GPS приёмника по данным, приведенным в [3], составляет: по горизонтали около 15 метров; по вертикали примерно 27 м. Если взять угол глиссады равный 15°, то погрешность AL будет равна:
27
AL =-= 100 м.
tg15
По полученным результатам мы можем сделать вывод, что для посадки БПЛА, оснащенного GPS - приёмником, необходима открытая местность. Например - поле, так как требуется посадочная полоса шириной не меньше величины удвоенной погрешности по горизонтали - 30 метров и длиной не менее необходимой для совершения посадки с запасом в 100 метров. Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определенных условиях сигнал может не доходить до приемника или приходить со значительными искажениями и задержками. Поскольку рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приема сигнала от спутников может серьезно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приему сигнала GPS могут помешать помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. Примерная стоимость GPS - приёмника 4-10 тыс. руб.
Рассмотрим высокоточный GPS приёмник в дифференциальном режиме. Качественно уменьшить ошибку в измерении координат позволяет режим так называемая дифференциальная коррекция. В этом режиме используется два приёмника: один неподвижно находится в точке с известными координатами и называется стационарным, а второй, как и раньше, является мобильным (устанавливается на борту ЛА). Данные, полученные базовым приемником, используются для коррекции информации,
собранной передвижным аппаратом. Точность датчика для этого прибора, описанного в [4], равна 0,1м. По правилу треугольника находим:
AL = = 0,37 м.
0,27
На основании вычислений можно сделать вывод, что данное оборудование может быть использовано для посадки БПЛА на грунтовые дороги, поскольку посадку можно осуществить на узкую полосу с несущественным запасом длины (0.37 м). Таким образом, дифференциальные измерения в GPS могут быть гораздо точнее, чем обычные. Опорная станция с известными координатами вычисляет поправки и передает в эфир комбинированные сообщения для коррекции спутниковых измерений. Этими сообщениями может воспользоваться любое количество ведомых GPS приемников для устранения практически всех ошибок в своих измерениях. Высокоточные GPS приёмники типа NovAtel, JAVAD, Gatewing стоимостью от 200 до 800 тыс. руб., эффективно применяются в профессиональных БПЛА.
Лазерный высотомер предназначен для измерения расстояний до естественных объектов. Отличает устройство малая масса и габаритные размеры, малое потребление энергии, высокая точность измерения дальности, способность работать в широком диапазоне температур и механических воздействий. Погрешность прибора ±(0,03+0,001Д)м, где Д - дистанция (высота на которой начинается выравнивание). В наших расчётах за дистанцию мы возьмём 10м. Подставляя их в формулу расчёта погрешности прибора, получаем:
±(0,03 + 0,001-10) = ±0,04 м,
лг 0.04
AL =-=0,15 м.
0.27
Лазерные высотомеры (профилометры) обладают наибольшей точностью измерений и сравнительно низкой стоимостью от 15 до 50 тыс. руб.
Преимуществами прибора являются: очень большой диапазон измерения (более чем 1000м), высокая надежность измерений; высокая эффективность измерения для сигнала отражающих объектов под большим углом; высокая скорость работы; низкое энергопотребление.
Недостатки: отсутствие измерения для прозрачных объектов, значительная чувствительность работы под прямыми солнечными лучами.
На основе проведённого анализа и расчётов были сформулированы области применения каждого вида приборов навигационных измерений. Для посадки на открытой широкой местности рационально использовать GPS приёмники, для посадки в условиях ограниченных размеров посадочной полосы - GPS приёмник в дифференциальном режиме. Применение лазерного высотомера оправдано, если точности GPS приёмника в дифференциальном режиме недостаточно.
Библиографические ссылки
1. Зиновьев А. В., Гузий А. Г. // Проблемы безопасности полётов. 2008. № 8. C. 40-49.
2. Красильщиков М. Н., Себряков Г. Г. Управление и наведение беспилотных манёвренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий. М. : Физмалит, 2003. 280 с.
3. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс]. URL: http://www.ra4a.ru/publ/1/8-1-0-360 (дата обращения: 2.09.2015).
4. Electronic textbook StatSoft [Электронный ресурс]. URL: http://www.javadgnss.ru/products/oem (дата обращения: 3.09.2015).
© Пучков А. В., Алдаев С. А., 2015
