CC BY
58
2013
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА
№ 189
УДК 681.783.25:629.734.33
ПОИСК АВТОСТРУКТУР НА ТЯЖЕЛЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ
В.И. НЕФЁДОВ, А.Ю. МАТВЕЕВ
При полетах на высоте автоструктур возможно ручное управление планером по изображению контура автоструктуры на экране тепловизора и расстоянию от планера до автоструктуры. Для определения расстояния до автоструктуры может быть использован тепловизор. Калибровка поперечной толщины автоструктуры позволяет по угловому размеру в поперечном направлении определить расстояние до неё.
Ключевые слова: планер, автоструктура, тепловизор, дальномер.
Особенность использования навигационных тепловизоров на планерах заключается в том, что, во-первых, на борту планера присутствует пилот, который частично берет на себя функции автоматики в управлении ЛА (те функции, которые не требуют большого быстродействия, но приводят к большим энергетическим затратам на сервоприводах рулей), во-вторых, на планере достаточно места для расположения более мощной бортовой ЭВМ, позволяющей реализовать более сложные алгоритмы обработки изображения автоструктуры. Поэтому в случае планеров можно уделить значительно больше внимания процедурам фильтрации сигналов, что трудно сделать в рамках микроБПЛА из-за ограничений в габаритах и весе навигационного оборудования, использования микроЭВМ. В качестве иллюстрации на рис. 1 приведено фото сверхлегкого планера микролифтового класса Aeriane Swift (Бельгия), который выпускается с электродвигателем, обеспечивающим ему взлет и полет в течение 20 мин.
Рис. 1. Сверхлегкий планер микролифтового класса Aeriane Swift (Бельгия)
Так как элементом системы управления ЛА становится оператор, рассмотрим какие коррекции необходимо внести в навигационную тепловизионную систему, чтобы обеспечить надежный поиск автоструктур.
Как показывают экспериментальные данные [1], на высотах 200 и 300 м образуется два яруса автоструктур толщиной d = 50 м.
Воспользовавшись данными [1], получим, что продольный (в плоскости параллельной поверхности земли) размер автоструктуры D ~ 167 м, а расстояние между автострами l ~ 500 - 800 м.
Степень автоматизации системы управления будет определяться средней продолжительностью полета и допустимыми при этом психофизиологическими нагрузками. Фактически пилот должен только выбрать автоструктуру и направить на нее планер. Все остальные вопросы должна решать АСУ.
88
В.И. Нефёдов, А.Ю. Матвеев
С другой стороны, чрезмерное использование автоматики приведет к большим энергетическим затратам, в результате емкость аккумуляторов окажется недостаточной для обеспечения необходимой продолжительности полета.
Обычно полет на микролифтовом планере занимает ~ 3-4 ч. В этом случае точность работы тепловизора (обнаружения автоструктур) и системы центрирования будет определяться возможностями пилота выполнения всех этих требований. Рассмотрим, какие необходимо добавить приборы к имеющимся пилотажным приборам, чтобы обеспечить минимальную затрату электроэнергии при пилотировании микролифтового планера, использующего тепловизионную систему навигации.
Современный планер оснащён комплектом пилотажных и навигационных приборов. Наряду с классическими приборами, такими как указатель скольжения, указатель скорости, высотомер, вариометр, компас, на современных планерах устанавливают электронный вариометр, измеряющий и вычисляющий высоту, вертикальную скорость, среднюю вертикальную скорость за какой-либо промежуток времени, бортовой компьютер, подключенный к системе GPS и датчикам планера, загруженный соответствующей программой, который в реальном времени выдаёт на экран координаты планера, положение на карте местности, истинный курс, скорость относительно земли, превышение над любой заданной точкой местности и т.д.
При минимальной скорости подлета к автоструктуре 40 км/ч время контакта планера Aeriane Swift с автоструктурой при малом радиусе тора ~ 25 м составит ~ 2 с. Учитывая, что размах крыла планера 12.8 м, условия маневрирования его внутри автоструктуры весьма ограничены. Для выполнения маневра необходимо знать расстояние до автоструктуры. Таким образом, наряду со стандартным набором современных приборов на приборной доске микролифтового планера должен быть экран тепловизора, указывающий не только положение автоструктуры, но и расстояние до нее, т.е. тепловизионная камера должна иметь дальномер. Такими функциями обладает тепловизионная камера-дальномер «Сыч-4» с активным импульсным лазерным дальномером.
После выбора направления движения на цель и знания расстояния до нее, планер летит к цели с крейсерской скоростью 75 км/ч до расстояния ~ 50 м. В момент подхода к автоструктуре пилот за счет малых доворотов ЛА входит в автоструктуру и выполняет процедуру центрирования ее в полуавтоматическом режиме с помощью электронного вариометра.
Измерение расстояний до автоструктур лазерными дальномерами связано с определенными трудностями, обусловленными тем, что наблюдаемое отличие температур автоструктур от температуры фона составляет всего 1.35оС [3]. Если учесть, что зависимость показателя преломления атмосферы n от температуры Тможно записать как n = 1 + а/Т, где а = 8.6-10"2 К, то отличие показателя преломления автоструктуры от фона An = - (а/То) (AT/To) = -1.5-10"6. Соответственно коэффициент отражения R=0.25(An) =0.56-10"12. При столь ничтожном отражении дальномер тепловизионного прибора «Сыч-4» не позволит определить расстояние до автоструктуры.
Сущность импульсного метода измерения состоит в том, что к объекту посылают зондирующий импульс, который одновременно запускает временной счетчик в дальномере. Когда отраженный объектом импульс приходит к дальномеру, то он останавливает работу счетчика. По временному интервалу (задержке отраженного импульса) определяется расстояние до объекта. В рассматриваемом случае, даже при работе в области прозрачности атмосферы при длине волны 1550 нм, приемник дальномера не сможет отличить сигнал, связанный с рэлеевским рассеянием на мелкомасштабных неоднородностях фона, от отраженного сигнала от автоструктуры. Поэтому для определения расстояния до автоструктуры можно воспользоваться другим методом - методом комбинационного (рамановского) рассеяния на молекулах азота и кислорода, который позволяет определять расстояния до структур температурной неоднородности с точностью < 1 K.
Однако современные рамановские лидары даже в мобильном исполнении (в том числе и авиационные) представляют собой громоздкие и тяжелые сооружения, чтобы быть установлеными на планерах типа Aeriane Swift.
Поиск автоструктур на тяжелых летательных аппаратах
89
Возможным вариантом решения проблемы определения расстояния до автоструктуры может быть использование приборов микроволновой радиометрии - температурных профилеме-ров типа МТП-5, которые построены на регистрации собственного теплового излучения атмосферы на частотах вблизи 60 ГГц. Они обладают такой же точностью измерения температуры, как рамановские лидары, меньше по габаритам и весу, но, к сожалению, не могут быть использованы на планерах из-за большого веса (20 кг). Но если сравнивать их по принципу действия, то рамановские лидары относятся к активным средствам измерения, а температурные профиле-меры относятся к пассивным. Последние предпочтительнее, особенно при использовании БПЛА в военных целях, так как не позволяют противнику обнаружить ЛА в процессе работы его системы навигации.
Пока же из-за отсутствия малогабаритных пассивных дальномеров расстояние до автоструктуры можно определять с помощью тепловизора «Сыч-3», регистрируя угловой размер цели по толщине автоструктуры в момент ее появления на экране. Полагая, что толщина автоструктуры (малый радиус тора) слабо меняется от времени года и на протяжении дня, можно вычислить расстояние до автоструктуры. Для более точной калибровки толщины автоструктуры необходимо провести экспериментальные исследования ее в зависимости от времени года и на протяжении дня.
В любом случае, независимо от принципа действия дальномера, он должен удовлетворять следующим требованиям в тепловизионной системе поиска автоструктур: дальность действия должна быть не более 500 м; время усреднения сигнала в одной точке не более нескольких секунд; точность измерений в вертикальном и в горизонтальном направлениях не должна превышать 10%.
Таким образом, сверхлегкие планеры микролифтового подкласса могут быть использованы для отработки элементов системы наведения микро-БПЛА на автоструктуры и центрирования их, исследований структуры нижней части пограничного слоя атмосферы. Присутствие летчика-испытателя позволит расширить круг задач, решаемых при доработке системы полуавтоматического управления «микролифтами» или имитации условий полета БПЛА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Martin S., Bange J.B., Beyrich F. Meteorological profiling of the lower troposphere using research UAV "M2AV Carolo" // Atmos. Meas. Tech., 2011. V. 4. - P. 705-716.
2. Нефедов В.И., Матвеев А.Ю. Определение границ контура автоструктуры в процессе её сближения с БПЛА // Статья в данном Вестнике.
TOE AUTOSTRUCTURE SEARCH SYSTEM ON HEAVY AIRCRAFTS
Nefedov V.I., Matveev A.Y.
At flights on the autostructures height it is possible manual control by a glider according to the autostructure contour image on the thermovision screen and distance from a glider to autostructure. "Thermovision can be used for determination of distance to autostructure. Calibration of transverse thickness of autostructure allows to define distance to autostructure through its angular size in transverse direction.
Key words: glider, autostructure, thermovision, range finder.
Сведения об авторах
Нефедов Виктор Иванович, 1945 г.р., окончил РРТИ (1968), доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой телекоммуникационных систем МГТУ МИРЭА, автор более 200 научных работ, область научных интересов - радиотехника, цифровые системы передачи информации и информационно -измерительных систем.
Матвеев Андрей Юрьевич, 1989 г.р., окончил МГТУ МИРЭА (2011), аспирант кафедры телекоммуникационных систем МГТУ МИРЭА, автор 3 научных работ, область научных интересов - использование тепловизионных систем при навигации БПЛА.
