CC BY
94
УДК 621.396.933.23
АППАРАТУРНО - АЛГОРИТМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА МНОГОПОЗИЦИОННОЙ РАДИОДАЛЬНОМЕРНОЙ НАВИГАЦИОННО-ПОСАДОЧНОЙ АЭРОСИСТЕМЫ
Я.В. КОНДРАШОВ, Т.С. ФИАЛКИНА, А.П. РЯБЕЦ
Статья представлена доктором технических наук, профессором Логвиным А.И.
Разработаны принципы формирования структуры и алгоритмов функционирования многопозиционной ра-диодальномерной системы наземного базирования для воздушных судов местных авиалиний.
Ключевые слова: многопозиционная дальномерная система.
Введение
Актуальность. В настоящее время большинство трасс и маршрутов, значительная часть аэродромов и посадочных площадок воздушных судов ВС местных авиалиний МВЛ практически не оснащены радиотехническим навигационно-посадочным оборудованием. Внедрение такого оборудования ведет к существенному повышению безопасности и эффективности полетов ВС.
Новизна. До настоящего времени для выполнения операций привода, предпосадочного маневрирования и собственно посадки ВС не применялись принципы многопозиционности наземного оборудования. Радиотехническая навигационно-посадочная система НПС, основанная на таких принципах, за счет пространственной корреляции её сигналов имеет более высокий потенциал тактико-технических характеристик по сравнению с монопозиционными средствами.
Постановка задачи. Как было показано в [1], задачи навигации и посадки ВС МВЛ осуществляются с помощью бортовой и наземной аппаратуры, работающей в режиме запрос-ответ. Физической основой определения отклонений от опорных траекторий в горизонтальной и вертикальной плоскостях является измерение бортовым оборудованием ВС (табл. 1), как минимум, следующей координатной информации (рис. 1):
• двух курсовых углов КУ12 относительно двух (1, 2) радиолокационных маяков-ответчи-ков РЛМО, расположенных вблизи взлетно-посадочной полосы ВПП, и высоты Н полета ВС [2];
• двух (трех) наклонных дальностей Д12 (01;2,з) относительно двух 1, 2 (трех 1, 2, 3) РЛМО и высоты Н полета ВС [3].
Г
!\Н
^ 1 Изменяемые величины: £)ь £)2, КУЬ КУ2, Н\ + Д2) - 4 Ь2); 2 = -1- (Д2 + Д2);
вертикальная
плоскость
Рис. 1. Геометрические соотношения при посадочных операциях ВС в многопозиционной НПС
Таблица 1
Оснащение ВС МВЛ радиолокационно-навигационным оборудованием
Тип оборудования Тип ВС
Лн-24 Лн-28 Л-410 Як-40 Вертолеты класса M^8 Примечание
Радиолокаторы PСПН-2M POTH-3E Кон- тур Контур Гроза Контур Все ВС могут быть оснащены бортовым дальномером СД-75, DME/P MCD-2000, BHD
Радиовысотомеры PВУM A-037 PВ-5 PВ-3M PВ-3
Каждому варианту автоматического формирования координатной информации соответствует свой вариант построения бортовой аппаратуры на основе штатных бортовых радиотехнических устройств - радиолокатора РЛ, радиодальномера РД, радиовысотомера РВ. Возможно и комбинирование координатной информации, например, измерение как курсовых углов, так и дальностей относительно маяков-ответчиков. При этом возможен также учет дополнительных факторов, например, угла сноса при навигации и посадке ВС, что невозможно при измерении только курсовых углов.
Одним из вариантов автоматического вычисления координатной информации является использование бортового радиолокатора типа «Гроза» или «Контур», выдающего информацию о дальности (курсового угла) до каждого РЛМО, и бортового радиовысотомера, на основании данных которых и определяется местоположение ВС бортовым вычислительным устройством [2].
Структура и алгоритмы работы системы
Другим вариантом автоматического вычисления координатной информации в таких системах [1] является использование серийного бортового дальномера (типа СД-75[4]), взаимодействующего в данном случае с наземными маяками-ответчиками МВЛ. Речь идет об “усеченном” варианте дальномера без пультов управления (ПУА, ПУР) и индикаторов (ИСД-1, ИСД-2), вместо которых должен быть разработан собственный пульт МВЛ. Поскольку масса всего комплекта бортовой аппаратуры дальномера ~ 16 кг, а усеченного комплекта еще меньше, то становится ясно, что использование в качестве источника координатной информации только запросчика DME (масса ~ 10кг) и сопрягаемой бортовой аппаратуры МВЛ (масса ~ 4кг) существенно упрощает установку данного оборудования на ВС МВЛ.
Кроме того, возможно использование внедряемых в настоящее время в серийное производство дальномера DME/P (предприятие «Радиоизмеритель», г. Киев), малогабаритных сканирующих дальномеров MCD-2000 (предприятие «Авиа-радиосервис», г. Киев) и BHD (предприятие ВНИИ РА «Навигатор», г. Санкт-Петербург, Россия), а также многочисленных модификаций других зарубежных малогабаритных дальномеров [5], имеющих характеристики, соответствующие рекомендациям Международной организации гражданской авиации ICAO.
При этом сохраняется как структура наземных маяков-ответчиков, так и структура бортовой аппаратуры по сравнению с вариантом системы РЛ-РЛМО [2]. Сохраняется также расположение маяков-ответчиков относительно ВПП или проекции линии заданного пути ЛЗП, представленное на рис. 1. Изменяется только техническая реализация РЛМО, работающего в данном случае в диапазоне частот DME (за исключением устройств шифрации и дешифрации), а также алгоритмы обработки информации.
В настоящей статье рассмотрен вариант определения местоположения ВС в обеих плоскостях методом трех дальностей [3] без использования высотомера.
Схема структурная бортовой аппаратуры воздушного судна ВС МВЛ представлена на рис. 2, а алгоритмы обработки информации в НПС - на рис. 3.
Пульт
управления
Управляющая
информация
Разрабатываемая
аппаратура
ДК, ДГ
на отображение
Устройство цифровой обработки
Сигналы
управления
шифратор
На
АФУ
Управление
модулятором
1
дешифратор
видео
Модулятор
Коды
дальности
видео
Приемник
Измеритель
дальности
Входное і 1 і 1 Дальномер
ЭМБ
і ’
Усилитель мощности ■*- Умножитель частоты <- Гетеродин
Рис. 2. Бортовая аппаратура НПС МВЛ при взаимодействии дальномера БМЕ с маяками-ответчиками
НПС ВС МВЛ при данной комплектации работает в следующем режиме. С пульта управления устанавливаются одноразовые команды, формируемые подачей потенциальных сигналов на устройство цифровой обработки. Эти команды устанавливают:
1. Режимы работы системы - «Контроль борта», «Навигация», «Посадка».
2. Номер программы кодовых комбинаций запросных и ответных импульсов.
3. Номер программы опорных траекторий посадки.
4. Номер программы размещения маяков-ответчиков.
Как видно, режимы работы НПС с использованием бортовых РД, рассматриваемые в настоящей работе, аналогичны режимам работы НПС с использованием бортовых РЛ [2].
Наличие 10 программ установки кодовых комбинаций дает возможность различать [6] маяки-ответчики как в одном, так и в соседних пунктах установки. В отличие от обычной работы БМЕ, НПС МВЛ функционирует на одной частоте, но с частотным разносом между каналами запроса и ответа из числа установленных для БМЕ. Поэтому число временных кодов должно быть больше, чем принято в системе БМЕ, хотя часть из них совпадает с регламентированными для системы БМЕ.
Программы опорных траекторий посадки в виде зависимостей е(Д) и КУ(П) по числу и форме программы размещения маяков-ответчиков также совпадают с изложенными в [2].
Взаимодействие дальномера с маяками-ответчиками осуществляется следующим образом. В режиме «Навигация» или «Посадка» бортовой дальномер поочередно запрашивает каждый РЛМО с интервалом ~ 0,1 - 0,2 с. Затем производится прием ответных сигналов, дешифрация и прием измеренных кодов дальности Д1г, Д/, Д3к. Индексы 1, 2, 3 означают принадлежность сигналов РЛМО № 1-3, а индексы г, ],к - объем пачек ответных сигналов каждого маяка. Далее производится вычисление дальности до каждого маяка Д1, Д2, Д3 путем усреднения соответствующих кодов с привязкой к относительному времени. За начало отсчета по времени принимается момент вычисления первой информации по дальности, например, Д = Д1. Когда дальности до каждого РЛМО на момент времени I определены, можно вычислить местоположение ВС в системе координат ВПП (в режиме «Посадка») или курса полета ВС относительно направления на Север (в режиме «Навигация»). В последнем случае требуется ввод угла базы маяков относительно направления на Север. Программно это выполнить сложно ввиду большого числа вариантов размещения РЛМО, следовательно, как и в [2], пульт управления системы МВЛ должен иметь наборное поле ввода азимута базы маяков.
Когда местоположение ВС определено, траекторная обработка координатной информации вплоть до вычисления отклонений от опорных траекторий совпадает с изложенным в [2].
Темп обновления и выдачи выходной информации, как и для варианта взаимодействия РЛС-РЛМО, составляет 1-2 Гц.
Системная гибкость многопозиционной НПС (МПСП [1]) позволяет ее структурировать для различных условий её эксплуатации в обеспечении посадочных операций летательных аппаратов как самолетного (рис. 1), так и вертолетного типов, например рис. 4, где ХН - характеристика направленности приемо-излучающих антенн бортового радиодальномерного оборудо-
вания БО, основного радиомаяка-ответчика МО и ретрансляторов РТ\ 2, расположенных относительно ВПП соответственно в точках В, С, А.
С
Начало работы
з
г- 1
прием управляющей информации о режиме работы системы
прием управляющей информации о размещении РЛМО и кодовых комбинациях
прием управляющей информации об опорных траекториях
формирование сигналов поочередного управления шифратором и дешифратором
прием кодов дальности 01ь Б2р 03к и фиксация начала работы по времени
подсчет числа отметок дальности п1?п2, п3 на интервалах 1 Гц от момента начала
і— 7 ------------------------1--------------------------
усреднение координат D1, D2, D3 на интервалах 1 Гц с привязкой к относительному времени
«1 1 п2 ] п3 і
£ Ц, • -=^ £ Ц ;■ •-=Ц* £ в* ■-=Ц
і
3ср
Г- 8
экстраполяция координат Ц ср , Цср на момент _________________измерения ц13ср_____________
расчет величин D, КУ, є(Н) в системе координат ВПП относительно времени I
вычисление определителя Dопр Н = ;
Ц2 = [2 (ц+ц - 4Ц)]-( ЬвПП+ц) + Ьж1 ц _
4 (Ц + Цвпп + ЦЛМ ) 4 (Ц + Цвпп + ЦЛМ )
—ЦЛМ ( Цвпп + Ц )
КУ1 = агссоБ-. Н
Ц + т ( Ц + Цвпп + Ц ЛМ )
________2 ( + Цвпп + ЦЛМ )
л/ц2 — Н2
л
фильтр сглаженных на момент последнего
измерения значений Ц1сл, КУ^, е О» = £ Ц • ^ (,); КУсгл = £ КУ, • С); ^ = £ З • ^ С)
I— 13
выдача координат А^У, А є на отображение
фильтр экстраполированных значений КУ1Э , Ц , Є
Ц+=£ ц • ^Цэ (,); КУ;1 = £ ку • ^ (0; 4+1=% (,)
,=1
Рис. 3. Алгоритм обработки информации в бортовом оборудовании НПС при взаимодействии дальномера БМЕ с маяками-ответчиками
і— 12
сравнение с опорными значениями Ц , е , КУ
КУ1Сгл (Ц) — КУоп (Ц) = дку 1 е! (Ц) — Єоп (Ц) = Де1
2
3
4
6
і =1
і=1
і=1
Для такой конфигурации координаты ЛА вычисляются согласно с выражениями:
_ 2Я0 - я? - я22+2р\ у - я22.
х ~ . ; У ~ 7 ;
Рис. 4. Г еометрические соотношения в МПСП при посадочных операциях вертолетов
Соответствующим образом строятся и алгоритмы функционирования МПСП при неизменной аппаратурной базе (рис. 2).
Выводы
1. Для построения навигационно-посадочной системы МВЛ в качестве источника информации необходимо оснащение ВС МВЛ либо штатными бортовыми радиолокаторами, либо штатными бортовыми радиодальномерами БМБ. Для определения местоположения ВС в вертикальной плоскости можно использовать информацию о высоте от радиолокационного высотомера. Для указанных двух вариантов комплектации структура построения бортового оборудования и алгоритмы работы во многом подобны [2], а структура маяков-ответчиков и их расположение относительно ВПП (ЛЗП) одинакова.
2. Бортовое оборудование для обоих вариантов комплектации содержит пульт управления и устройство цифровой обработки с электронными модулями сопряжения со штатными бортовыми устройствами. Маяк-ответчик содержит приемо-передатчик с устройствами дешифрации и шифрации соответственно.
3. Основной функцией бортового оборудования является автоматическое вычисление курсовых углов и дальностей, либо только дальностей до каждого маяка-ответчика, счисление высоты и программное определение на основе данной координатной информации отклонений местоположения ВС от опорных траекторий навигации или посадки.
4. Функции пульта управления:
- переключение режимов работы;
- выбор программы установки запросных и ответных кодов;
- выбор программы размещения маяков-ответчиков;
- установка программ опорных траекторий.
5. Выходная информация навигационно-посадочной системы МВЛ представляет собой аналоговые напряжения, пропорциональные отклонениям от опорных траекторий в вертикальной (только при посадке ВС) и горизонтальной плоскостях для отображения на штатном для ВС приборе типа ПНП. Темп обновления координатной информации 1-2 Гц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кондратов Я.В. Пути использования информации высотомерно-угломерно-дальномерных датчиков и вычислительных средств в системе с радиомаяками-ответчиками для целей посадки, ближней и межсамолетной навигации // Методы управления системной эффективностью функционирования электрофицированных пилотажнонавигационных комплексов: тезисы докладов междунар. научн.-техн. конф. Авионика 95. - Киев: 1995. - С.106 - 107.
2. K'oii.ipaiiioit B.^, K'oii.ipaiiioit Я^. Анализ путей использования штатных бортовых радиолокаторов в конфигурациях зон управления полетом воздушных судов применительно к условиям местных воздушных линий // Совершенствование электронных систем гражданской авиации и процессов их технической эксплуатации: межвуз. сб. научн. тр. - М.: МГТУ ГА, 1995. - С. 96 - 106.
3. K'oii.ipaiiioit Я^., Фиалкина Т.С. Мобильные многопозиционные дальномерные и разностно-дальномерные радиосистемы посадки летательных аппаратов // Журнал «Електроніка та системи управління». - Киев: НАУ. - № 2 (16). - 2008. - С. 77 - 84.
4. Руководство по технической эксплуатации дальномера СД-75 (1.247.221.РЭ). Казенное предприятие «Радиоизмеритель». - Киев, 1985.
5. Kondrashov Ya.V., Fialkina T.S., Ryabets O.P. Small-sized airborne radio rangefinders of navigation-landing systems of local airlines // Журнал «Електроніка та системи управління», № 2 (24). - Київ, 2010. - С. 66 - 69.
6. K'oiMpaiiioii Я^., Фиалкина Т.С. Идентификация маяков-ответчиков и посадочных площадок в частотном диапазоне работы мобильной многопозиционной радиодальномерной навигационно-посадочной системы // Системи управління, навігації та зв’язку. - Київ, 2010. - Вип. 4 (15). - С. 20 - 25.
APPARATUS-ALGORITHMIC STRUCTURE OF MULTYPOSITIONAL RADIORANGEFINDING NAVIGATION-LANDING AEROSYSTEM
Kondrashov Ja.V., Fialkina T.S., Ryabets A.P.
The principles of formation of the structure and functioning algorithms for multiposition radio rangefinding land-based system are developed for aircraft of local airlines.
Key words: many position distance system.
Сведения об авторах
^ндрашов Ярослав Bиктopoвич, 1970 г.р., окончил МАИ (1993), кандидат технических наук, член-корреспондент Аэрокосмической академии Украины, главный специалист Центра информационных технологий "Инфотех", автор более 70 научных работ, область научных интересов - радиолокация, радионавигация, управление воздушным движением.
Фиалкина Татьяна Станиславовна, окончила Национальный авиационный университет (2010), аспирантка НАУ, автор 15 научных работ, область научных интересов - навигация и управление воздушным движением, авиационные компьютерно-интегрированные комплексы.
Рябец Александр Петрович, 1989 г.р., окончил Национальный авиационный университет (2011), аспирант НАУ, автор 6 научных работ, область научных интересов - навигация и управление воздушным движением, системы автоматического управления.
