Прецизионная система посадки для наведения самолета вдоль заданной посадочной траектории в пределах радиуса действия наземного запросчика (варианты)
Изобретение содержит радиоответчик, не менее четырех наземных отдельно расположенных приемоиндикаторов, причем каждый содержит устройство для приема сигнала от запросчика, устройство для приема сигнала от радиоответчика, таймер, компьютер, выходное устройство для передачи сигнала на самолет. 3 с. и 12 з.п.ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к прецизионным системам посадки самолетов. В более узком смысле оно относится к системе посадки, которая вычисляет положение самолета с использованием дистанционных измерений, базирующихся на сигналах от расположенного на борту самолета радиоответчика.
Некоторые системы, такие как используемая в настоящее время система посадки по приборам (ILS), определяют конический или пирамидальный пространственный посадочный профиль с вершиной в конце посадочной полосы. В этих системах самолет сохраняет правильную посадочную траекторию, оставаясь в центре такого объемного профиля вдоль его оси. Такие посадочные системы эффективны для управления прямолинейными посадочными траекториями, однако они приемлемы для аэропортов, в которых в силу естественных помех требуется использование криволинейных, ступенчатых или сегментных траекторий. Прецизионная посадочная система другого типа определяет положение самолета, сравнивает его с делаемой посадочной траекторией и передает любую требуемую коррекцию на борт самолета. Такая система точно так же, как и другие системы, которые используют симметрию и упрощенные математические расчеты для определения пирамидальной посадочной траектории, описана в патенте США N 3564543. Эта система реагирует на время, требующееся для прохождения сигнала между приземляющимся самолетом и тремя известными точками на земле для определения трех соответствующих расстояний. В ней используются запросчик и три приемоиндикатора. Во время работы запросчик передает сигнал запроса на бортовой самолетный радиоответчик. Радиоответчик в ответ на сигнал запроса передает ответный сигнал, который принимается тремя приемоиндикаторами. Каждый приемоиндикатор замеряет временной интервал между моментом детектирования сигнала запроса и моментом детектирования ответного сигнала. По этим трем интервалам времени рассчитываются соответствующие расстояния между самолетом и тремя приемоиндикаторами. Проходит короткий временной интервал порядка нескольких микросекунд между приемом радиоответчиком сигнала запроса и последующей передачей им ответного сигнала. Этот неучитываемый интервал или "время реакции ответчика" может вызывать ошибки в определенном расчетом положении самолета порядка 100 м. В качестве побочного эффекта такое расположение требует применения высоких антенных вышек вблизи аэропорта, так как, если бы все приемоиндикаторы находились на уровне земли, т.е. в горизонтальном плане, расчетная высота самолета определялась бы со значительными погрешностями, что недопустимо для прецизионной посадочной системы. Известна система, описанная в патенте США N 3665464. В ней замеряются интервалы времени между детектированием сигнала запроса и ответным сигналом бортового радиоответчика. В ней время реакции ответчика учитывается путем вычитания его заданного значения из замеренных интервалов времени. Однако даже задание времени реакции ответчика не исключает флуктуации замеров, т.е. вариации среднего значения времени реакции ответчика. В результате это опять ведет к значительной неточности в определении положения приземляющегося самолета. Изобретение обеспечивает средства для повторяемого определения положения совершающего посадку самолета в реальном масштабе времени посредством применения не менее четырех приемоиндикаторов. Данное количество приемоиндикаторов дает возможность исключить ошибки, связанные с временем реакций ответчика в определении положения самолета относительно ВПН. Согласно настоящему изобретению, по крайней мере, четыре приемоиндикатора располагаются в различных предварительно определенных точках вокруг аэропорта. Каждый приемоиндикатор настроен на детектирование сигналов радиоответчика и включает таймер, синхронизированный с другими таймерами. В ответ на детектирование сигнала радиоответчика каждый приемоиндикатор записывает время детектирования. Прецизионная система посадки по настоящему изобретению включает центральный процессор (ЦП) 19 на базовой станции, который получает замеры времени со всех приемоиндикаторов и производит расчеты для определения положения самолета. Обычно базовая станция ЦП располагается на вышке управления полетами 14 для облегчения диспетчерского контроля, но может располагаться и в любом другом месте. Постольку используются не менее четырех независимых замеров, базовая станция ЦП может рассчитывать не только трехмерные координаты самолета, но также время реакции ответчика. Координаты самолета сравниваются затем с математическим описанием заданной посадочной траектории. Можно использовать любую посадочную траекторию, которая поддается математическому описанию, включая траектории с криволинейными, ступенчатыми и сегментными участками. Дополнительным преимуществом является возможность использования различных предварительно заданных посадочных траекторий или одной и той же ВПП, позволяя выбрать траекторию, оптимально соответствующую посадочным характеристикам конкретного самолета. На фиг. 1 представлен общий вид, показывающий элементы прецизионной посадочной системы согласно изобретению, расположенной вблизи аэропорта; на фиг. 2 упрощенная схема, показывающая местоположение и расстояния между элементами прецизионной посадочной системы согласно настоящему изобретению в идеальном воплощении. Система работает следующим образом. Обратимся теперь к фиг. 1, на котором изображен аэропорт 10 с ВПП 12 и диспетчерской вышкой 14. Система прецизионной посадки самолетов согласно настоящему изобретению направляет самолет 16 вдоль предварительно заданной траекторий 18, ведущей к ВПП. Система прецизионной посадки включает в себя множество приемоиндикаторов Rx (не менее четырех), расположенных в известных предварительно заданных местах внутри и вокруг аэропорта. Приемоиндикаторы, которые могут находиться на уровне земли (не обязательно на одном и том же), показаны в виде Т-образной конфигурации, протянувшейся под траекторией снижения 18. В идеальном исполнении приемоиндикаторы Rx1 и Rx3 удалены друг от друга на четыре километра, а приемоиндикатор Rxn располагается в двух километрах от конца ВПП. Обычно точность посадочной системы возрастает с увеличением этих расстояний до некоторого неопределенного предела. Это T-образное расположение приемоиндикаторов хотя и удобно, однако не является обязательным для правильной работы посадочной системы. Необходимым является лишь расположение приемоиндикаторов в различных местах, не лежащих на одной прямой. Для работы посадочной системы требуются радиоответчик B, расположенный на борту самолета, и наземный запросчик Tx, расположенный в известном предварительно заданном месте. Они могут быть независимы от других приборов в аэропорту и на борту самолета или могут быть того же типа, который используется в Радиомаячной системе управления воздушным движением (ATCRBS) и радиомаячной системе с дискретной адресацией (DABS). Запросчик и ответчик работают в совместном режиме: запросчик передает сигнал запроса, который детектируется ответчиком, а ответчик, в свою очередь, передает ответный сигнал. Приемоиндикаторы Rx1 настроены на детектирование сигналов запроса и ответных сигналов радиоответчика. Прецизионный таймер внутри каждого ответчика замеряет временной интервал между моментами детектирования этих соответствующих сигналов. Обратимся теперь и фиг. 2. Запросчик Tx, приемоиндикатора Rx1 и радиоответчик B показаны в общем схематичном виде с указанием местоположений и расстояний, ссылки на которые делаются в следующем ниже описании. Запросчик Tx находится в месте с координатами x0, y0 и z0. Приемоиндикаторы Rx1 находятся в соответствующих позициях с координатами Xi, Yi, Zi с количеством приемоиндикаторов n. Радиоответчик на борту самолета находится в позиции с координатами X, Y, Z. Расстояния от соответствующих приемоиндикаторов Rx1 до передатчика запросчика Tx обозначены Li, расстояния от соответствующих приемоиндикаторов Rx1 до радиоответчика B обозначены di и расстояние от запросчика Tx до радиоответчика B обозначено d0. Во время работы прецизионной посадочной системы запросчик Tx передает сигнал запроса, состоящий из модулированных на несущей частоте импульсов. Сигнал запроса принимается как приемоиндикаторами Rx1, так и радиоответчиком B. Радиоответчик B в ответ на полученный сигнал запроса передает ответный сигнал, также состоящий из импульсов, модулированных на несущей частоте. Временной интервал между приемом сигнала запроса радиоответчиком и последующей передачей им ответного сигнала принимается здесь в качестве времени реакции ответчика








Следует иметь в виду, что каждое из равенств (4 а), (4 b) и (4 c) описывает гиперболоид, более точно одну из двух поверхностей гиперболоида. Решение, определяющее местоположение самолета, находится в точке пересечения этих трех гиперболоидов. Как правило, если три выпуклых поверхности пересекаются, то они имеют две точки пересечения, поэтому будет два решения. На практике недействительное решение должно быть отброшено либо по своему физическому смыслу (например, одно из решений может быть в точке, находящейся под землей), либо другими способами. Прецизионная система согласно настоящему изобретению в оптимальном исполнении предусматривает использование фильтрации Кальмана для повышения точности определения положения самолета. Фильтрация повышает точность не только за счет использования самых последних замеров, выполненных приемоиндикаторами, но также вследствие использования координат предыдущего положения самолета, статической надежности этого положения и статической вариации текущих измерений. Фильтрация Кальмана в комбинации с более, чем четырьмя приемоиндикаторами обеспечивает дополнительное детектирование ошибки и устойчивость системы к неисправностям. Фильтрация Кальмана может надежно функционировать при потере данных, вызванной, например, повреждением приемоиндикатора, и обнаружить ошибки в данных с другого исправного приемоиндикатора. В любом случае фильтрация Кальмана позволяет отбросить ненадежные данные и обеспечить статистически оптимальное определение местоположения самолета на базе данных от остающихся в рабочем состоянии приемоиндикаторов. Кроме того, фильтрация Кальмана оценивает ошибку в реальном масштабе времени, что полезно для принятия решения либо приемлемости заверенной траектории, либо о выдаче команды "траектория потеряна". Математические величины, используемые в расчетах с применением фильтрации Кальмана, приведены в таблице, где m означает размер вектора состояния, а n размер вектора измерения. Эти матрицы используются для расчета положения самолета с использованием приведенных ниже равенств:
X(K + 1/K) Ф(K + 1,K)X(K/K) (5)
P(K + 1/K) Ф(K + 1,K)P(K/K)ФТ(K + 1/K) + Q(K) (6)

V(K + 1) Z(K + 1)- h[K + 1, X(K + 1/K)] (8)
S(K + 1) H(K + 1)P(K + 1/K)HT(K + 1) + R(K + 1) (9)
K(K + 1) P(K + 1/K)HT(K + 1)S-1(K + 1) (10)
X(K + 1/K + 1) X(K + 1/K) + K(K + 1)V(K + 1) (11)
P(K + 1/K + 1) [I K(K + 1)H(K + 1)]P(K + 1/K) (12)
В приведенных выше равенствах нотация аргумента K/j означает оценочное значение заданного параметра в промежуток времени от tk до ti. В координатах X и Z нотации аргумента (k) означают истинное значение в момент времени tk, тогда как K/j относятся к оценочному значению. Равенства (5) и (6) относятся к равенствам "уточненного времени"; равенства (11) и (12) относятся к равенствам "уточненных измерений". Матрица переходного состояния Ф. Функция измерения h и матрица измерения H обычно кодируются в фильтре Кальмана, а начальные значения вектора состояния X(0/0) и ковариационная матрица ошибки состояния P(0/0) либо рассчитываются по начальному контакту детектора, либо оцениваются эвристически. Ковариационная матрица шумов процесса Q обычно устанавливается эвристически для соответствия ожидаемым маневрам цели, но она может быть установлена применительно к наиболее современным редакциям фильтра Кальмана. Матрица R определяется по шумовым характеристикам детектора. Основной вариант этой системы равенства является так называемой UD-формой или формой фильтра Бирмана, которая использует иной способ формирования усиления и обработки поправок ковариационной матрицы ошибки состояния P. Вектор состояния X самолета включает положение самолета, компоненты скорости самолета и время реакции ответчика


Матрица переходного состояния используется в равенствах (5) и (6) для прогнозирования следующего местоположения самолета. Поскольку принимается, что идущий на посадку самолет летит без ускорения, то новые координаты это всего лишь старые величины плюс приращение времени


y(k+1/k)=y(k/k)+Vy(k/k)

z(k+1/k)=z(k/k)+Vz(k/k)

Vx(K + 1/K) Vx(K/K) (14d)
Vy(K + 1/K) Vy(K/K) (14e)
Vz(K + 1/K) Vz(K/K) (14f)
T(K + 1/K) T(K/K) (14g)
Матрица переходного состояния, представленная в матричной форме, будет выглядеть следующим образом:

Ковариационная матрица шумов процесса Q. Матрица переходного состояния, представленная в равенстве (15), не производит каких-либо ускорений, так же как и не позволяет отклоняться времени реакции ответчика


Q44= Q55= Q66= a(

Qi,j 0 при i

Остающийся элемент Q11, не определенный в равенствах (16 a) и (16 b), характеризует кратковременные изменения



Матрица измерения H. Матрица измерения выглядит следующим образом

где xj является элементом состояния самолета x с индексом j, а не x-положением приемоиндикатора j. Следовательно,









Ковариационная матрица ошибки измерения. Поскольку не предполагается корреляция между приемоиндикаторами, то ковариационная матрица ошибки измерения R является диагональю Rij=






[P(0/0)субм] H-1R(H-1)T
где H это H-матрица четыре-на-четыре, соответствующая четырем замерам, используемым для инициализации состояния. Элементы ковариационной матрицы ошибки состояния P инициализируются заданием диагоналей с большими величинами:
P44= P55= V2max,h (29a)
P66= V2max,v (29b)
где параметры Vmax представляют собой максимальные значения, соответствующие скоростям самолета, которые выбираются на основе анализа результатов компьютерного моделирования. Вертикальная составляющая Vmax,v будет меньше горизонтальной составляющей Vmax,h. Если для приведения скорости к начальному состоянию были использованы известные значения курса и скорости, то тогда P44, P55 и P66 следует подбирать таким образом, чтобы они отражали вариации этих цифр, которые будут зависеть от точности приборов, замеряющих данные величины, например, от точности бортовых приборов самолета. Результирующая ковариационная матрица ошибки состояния P выглядит следующим образом:

Вектор состояния x и ковариация ошибки состояния могут быть инициализированы двумя начальными измерениями. Элементы скорости затем инициализируются в привязке к разностям позиционных элементов, деленным на


Формула изобретения
РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3
Похожие патенты:
Изобретение относится к радиолокационной технике
Устройство местоопределения радиоизлучателя // 2084913
Изобретение относится к области радиотехники, а именно к радионавигации, и может быть использовано в качестве устройства определения пространственных координат искусственных источников радиоволн преимущественно в декаметровом диапазоне
Способ местоопределения радиоизлучателей // 2072524
Изобретение относится к области обнаружения и классификации сигналов и может быть использовано для обнаружения аномалий типа облачности, вулканов, растительного, ледяного и снежного покровов, пятен нефтяных и других органических веществ, ветровых волнений, течений и на поверхности моря, температурных распределений и других образований естественного и искусственного происхождения
Изобретение относится к методам обнаружения и может быть использовано для обнаружения аномалий типа вулканов, облачности, ледяного и снежного покровов, нефтяных пятен и других органических веществ, ветровых волнений, течений на поверхности моря, температурных распределений и других образований искусственного и собственного происхождения
Бортовой радиопеленгатор // 2020505
Изобретение относится к радионавигации и предназначено для ориентирования самолетов, космических и морских кораблей по принимаемым радиоволнам
Акустооптический приемник // 2007046
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для приема сложных сигналов, анализа их амплитудного спектра и пеленгации источника излучения сложных сигналов
Изобретение относится к радиолокации и служит целям определения угловых координат постановщиков активных помех (ПАП) в большом диапазоне их мощностей
Изобретение относится к радиолокации и служит для определения угловых координат постановщиков активных помех (ПАП) в большом диапазоне их мощностей
Способ контроля и корректировки угла глиссады воздушного судна относительно точки приземления // 1804628
Изобретение относится к способам посадки воздушных судов
Глиссадный радиомаяк // 1641095
Изобретение относится к радионавигации и может быть использовано в радиотехнических системах посадки летательных аппаратов на аэродромы, размещенные в многоснежных районах
Устройство контроля глиссадного радиомаяка // 1318950
Визирования // 331346
Устройство для контроля угла глиссады // 297934
Способ определения курсового угла исполнительного механизма и устройство для его осуществления // 2007741
Изобретение относится к автоматическому управлению исполнительными механизмами и может использоваться, например, в транспортных роботах
Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиотехнических системах посадки летательных аппаратов