ES2623372T3 - Aparato y método para el aterrizaje de una aeronave de alas rotativas - Google Patents
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Abstract
Un método de ayuda para el aterrizaje de una aeronave de alas rotativas (142, 160, 198) en condiciones de visibilidad reducida en una zona de aterrizaje, donde un piloto de la aeronave de alas rotativas está provisto de un dispositivo de visualización montado en un cabezal o un casco (13), dispuesto de manera de mostrar al piloto símbolos superpuestos sobre una escena (16) que está siendo vista por el piloto. El método incluye las siguientes etapas: (i) determinar la línea visual (140, 204) del piloto; (ii) indicar un punto de aterrizaje deseado (144, 162, 192) para la aeronave de alas rotativas en función de la línea visual determinada del piloto; (iii) determinar la ubicación, incluso la altura (146) sobre una superficie del suelo (148, 196), de la aeronave de alas rotativas; (iv) determinar la localización del punto de aterrizaje deseado indicado en la etapa (ii) con respecto a la ubicación determinada de la aeronave de alas rotativas; (v) generar una simbología de aterrizaje conforme al suelo, que comprende uno o más símbolos (220-224, 242-248, 254-264, 282-290, 302, 304, 320-326) que proporcionan una representación tridimensional de una zona de aterrizaje en la ubicación determinada del punto de aterrizaje deseado; (vi) mostrar la simbología de aterrizaje conforme al suelo al piloto en el dispositivo de visualización; y (vii) actualizar el tamaño o la forma de uno o más símbolos de la simbología de aterrizaje conforme al suelo mostrada de conformidad con un cambio en la ubicación determinada de la aeronave de alas rotativas con respecto a la ubicación determinada del punto de aterrizaje deseado.
Description
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etapa 122 para volver a designar el punto de aterrizaje deseado, de modo que el aparato de ayuda para el aterrizaje sea capaz de calcular el error entre el primer intento de cálculo de coordenadas geográficas universales y el punto de aterrizaje deseado en la etapa 124, lo que permite calcular correcciones a las coordenadas geográficas universales en la etapa 126, las cuales son entonces proporcionadas nuevamente a la etapa 114. La etapa 114 luego recalcula las coordenadas geográficas universales y vuelve a mostrar la simbología de aterrizaje al piloto en la etapa 116. El piloto puede entonces reevaluar si las correcciones aplicadas han establecido o no una correlación aceptable entre la simbología de aterrizaje mostrada y el punto de aterrizaje deseado en desplazamiento 118. Se entenderá que el piloto puede continuar rechazando la simbología de aterrizaje calculada y mostrada hasta que el desplazamiento 114 proporcione coordenadas geográficas universales que produzcan simbología de aterrizaje que se correlaciona suficientemente con el punto de aterrizaje deseado en desplazamiento 118. Cuando se acepta la simbología de aterrizaje en desplazamiento 118, la simbología de aterrizaje con referencia al suelo se muestra al piloto en desplazamiento 120.
Las coordenadas geográficas universales calculadas en desplazamiento 114 pueden utilizarse también para dirigir un sensor adecuado en desplazamiento 128, por ejemplo, un radar de dirección, que puede producir información de alcance desde la posición actual de la aeronave hasta el punto de aterrizaje deseado en desplazamiento 130. La información de alcance entre la aeronave y el punto de aterrizaje deseado también puede proporcionarse en desplazamiento 114 para ser utilizada en cálculos adicionales de las coordenadas geográficas universales en desplazamiento 114.
Opcionalmente, la salida del sensor en desplazamiento 128 puede usarse para generar una escena sintética en desplazamiento 132 para la visualización en desplazamiento 134 de una imagen mejorada de la escena observada por un piloto.
Además, el desplazamiento 114 también puede usarse para calcular la simbología de ruta de vuelo que se muestran al piloto en el desplazamiento 136.
Con referencia a la figura 4, se entenderá que la línea visual 140 de un piloto de una aeronave 142 se usa para determinar el punto de aterrizaje deseado 144 para la aeronave 142. La altura 146 de la aeronave 142 por encima de un terreno determinado 148 puede determinarse mediante un radar o un radio altímetro. Se puede utilizar una base de datos de terreno para contrarrestar las diferencias de altura de terreno entre la posición de la aeronave y el punto de aterrizaje deseado. Como la aeronave 142 incluirá un dispositivo de navegación para determinar la ubicación de la aeronave 142, el aparato de ayuda para el aterrizaje puede determinar las coordenadas geográficas universales para el punto de aterrizaje deseado 144.
Con referencia a la Figura 5, se ilustra una aeronave 160, que hace un acercamiento de 360° a un punto de aterrizaje deseado 162 y sigue una ruta de vuelo 164 a un primer punto de designación 166. En el primer punto de designación 166, el piloto de la aeronave observa y designa el punto de aterrizaje deseado 162 mediante la activación del aparato de ayuda para el aterrizaje cuando la línea visual del piloto es dirigida al punto de aterrizaje deseado 162 para calcular las primeras coordenadas geográficas universales para el punto de aterrizaje deseado 162. El piloto revisará entonces la simbología de aterrizaje mostrada generada por el aparato de ayuda para el aterrizaje y decidirá si existe
o no una correlación aceptable con el punto de aterrizaje deseado 162. De no ser así, el piloto continuará a lo largo de la ruta de vuelo de aproximación de 360° 164 hasta un segundo punto de designación 168. Nuevamente, el piloto observa y designa la posición de aterrizaje deseada 162 desde una ubicación alternativa y activa el aparato de ayuda para el aterrizaje. La toma de una segunda designación desde una posición alternativa reduce el error de designación entre las coordenadas geográficas universales calculadas por el aparato de ayuda para el aterrizaje y la posición de aterrizaje deseada real 162 observada por el piloto.
La aeronave 160 puede continuar a lo largo de la ruta de vuelo de aproximación parcial de 360º 164, que activa el aparato de ayuda para el aterrizaje en otros puntos de designación 170 y 172 para reducir aún más el error de designación hasta que el piloto sepa que la simbología de aterrizaje mostrada tiene una correlación aceptable con punto de aterrizaje deseado real 162. En este punto, el piloto puede entrar en una fase de aterrizaje del vuelo y aterrizar la aeronave 160 en el punto de aterrizaje deseado 162, incluso cuando el helicóptero 160 entra en un evento de brownout indicado por la nube de polvo 174.
Con referencia a la Figura 6, donde se han usado referencias similares para indicar números enteros similares a los ilustrados con referencia a la Figura 5, los puntos de designación 166, 168, 170 y 172 están indicados con respecto a la altura a lo largo del eje de ordenadas 176 y con respecto al tiempo a lo largo del eje de abscisas 178. Cuando una aeronave se aproxima al punto de aterrizaje deseado 162, el aparato de ayuda para el aterrizaje está configurado para calcular coordenadas geográficas universales en cada punto de designación 166, 168, 170 y 172 de modo de mostrar simbología de aterrizaje que está correlacionada con el punto de aterrizaje deseado 162 antes de que la aeronave entre en la nube de polvo 174.
Con referencia a la Figura 7, donde se han usado referencias similares para indicar números enteros similares a los ilustrados con referencia a las Figuras 5 y 6, se indica un error de designación a lo largo del eje de ordenadas 180 para cada punto de designación a lo largo del eje de abscisas 182. El error de designación acumulativo para cada punto de designación 166, 168, 170 y 172, como se indica mediante la línea de puntos 184, mejora con cada
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simbología de aterrizaje seguro 242, 244, 246 y 248 al piloto de la aeronave 240 en un radio de aterrizaje seguro 250 de aproximadamente 23 metros desde un punto central 252 de la aeronave 240.
Como se indica mediante las líneas de puntos 254 y 256, existe una opción para que el aparato de ayuda para el aterrizaje muestre la simbología de marcadores de aterrizaje seguro de "círculo recortado" para minimizar el margen lateral de modo que la aeronave 240 pueda aterrizar junto a otra aeronave cerca del punto de aterrizaje deseado.
Los marcadores de simbología de aterrizaje 258, 260, 262 y 264 también pueden mostrarse al piloto para brindarle un mayor conocimiento situacional de la posición de la aeronave 240 con relación a una zona de aterrizaje segura 266 y ayudarlo cuando solo está disponible un dispositivo de visualización de campo de visión limitado para transmitir la simbología de aterrizaje al piloto. Se comprenderá que el piloto tendrá un campo de visión limitado desde la aeronave 240, por ejemplo, el campo de visión de los lentes de visión nocturna es de aproximadamente 40º, como indica el ángulo 268, mientras que el campo de visión de la simbología de aterrizaje generada será de aproximadamente 20º, como indica el ángulo 270. Se pueden usar otros campos de visión si están disponibles en un dispositivo particular empleado para transmitir simbología de aterrizaje al piloto.
En referencia a las Figuras 14 a 17, donde se han usado referencias similares para indicar números enteros similares en cada una de estas figuras, se muestra una pantalla 280 con marcadores de simbología de aterrizaje 282, 284, 286, 288 y 290 a través del dispositivo de visualización montado en el casco. También se muestra la dirección de la aeronave como señal de flecha 292 y una indicación de la dirección y velocidad lateral de la aeronave como señal 294 y la magnitud de la aceleración lateral de la aeronave como señal de cadena 296.
La Figura 14 ilustra la pantalla 280 para una aeronave de alas rotativas con velocidad hacia adelante como indica la señal 294, una pequeña aceleración hacia delante, como indica la longitud de la señal de cadena 296, y ninguna velocidad lateral o aceleración que actúe sobre la aeronave, como indica la posición vertical de las señales 294 y 296. Existe la posibilidad de que el piloto pueda desorientarse en cuanto a la relación entre la línea visual actual del piloto y el eje longitudinal de la aeronave de alas rotativas. Esta desorientación se mitiga comúnmente mediante la adición de marcadores de cúpula o marcadores de fuselaje que se muestran al piloto a través del dispositivo de visualización montado en el casco. Sin embargo, la señal de flecha 292 de la presente invención ilustrada en la pantalla 280 permite que un piloto mantenga la orientación dentro de las limitaciones de un campo de visión relativamente pequeño de la pantalla 280, sin la carga adicional de los marcadores de cúpula o marcadores de fuselaje que se muestran a través del dispositivo de visualización montado en el casco.
La señal de flecha 292 muestra el ángulo de orientación del eje longitudinal de la aeronave de alas rotativas con respecto a los marcadores de simbología de aterrizaje 282 a 290. Es decir, el piloto mira directamente hacia adelante a lo largo de la aeronave, como muestra la posición vertical de la señal 292 en la pantalla 280. La coincidencia vertical de las señales 292, 294 y 296 indica la configuración de aterrizaje correcta para la aeronave de alas rotatorias, sin velocidad o aceleración lateral en la aeronave de alas rotativas, y el piloto mira directamente hacia adelante en la línea de movimiento de la aeronave de alas rotatorias.
En referencia a la Figura 15, la pantalla 280 indica que hay una pequeña velocidad hacia adelante sin componentes laterales, como indica la posición vertical de las señales 294 y 296 y el piloto está mirando hacia la izquierda, señal de flecha 292. Por consiguiente, existe el riesgo de desorientación del piloto bajo condiciones de visibilidad fuertemente degradadas que ocurren durante un brownout.
En referencia a la Figura 16, la pantalla 280 ilustra que el piloto mira directamente a lo largo del eje longitudinal de la aeronave de alas rotativas, como indica la señal de flecha 292, pero hay una velocidad lateral significativa y creciente que actúa sobre la aeronave, como indica la señal 294, que está apuntando a la derecha, y la longitud de la señal de cadena 296. Esta velocidad lateral podría hacer que la aeronave de alas rotatorias vuelque cuando hace el contacto con el suelo durante el aterrizaje.
En referencia a la Figura 17, la pantalla 280 indica que el piloto está mirando hacia la derecha del eje longitudinal de la aeronave, como indica la flecha 292, y hay velocidad y aceleración significativas y correctas como indica la señal 294 y la longitud de la señal de cadena 296. Hay un alto riesgo de desorientación y la velocidad lateral podría hacer que la aeronave de alas rotatorias vuelque cuando haga contacto con el suelo durante el aterrizaje.
Las Figuras 15, 16 y 17 indican una aproximación incorrecta de la aeronave al punto de aterrizaje deseado y proporcionan al piloto de la aeronave información para ajustar la posición de la aeronave con respecto a los marcadores 282 a 290. También ilustran que la observación lejos del eje longitudinal de la aeronave se informa al piloto a través de la señal de flecha 292.
La Figura 18 ilustra una vista lateral en elevación de una aeronave 300 con relación a los marcadores de simbología de aterrizaje 302 y 304, a partir de la cual se puede determinar que los marcadores de simbología de aterrizaje 302 y 304 tendrán que ser generados de modo que tengan al menos 2,5 metros de altura con relación al terreno 306 y una base de aproximadamente un metro para ser observable a lo largo de una línea visual del piloto 308 cuando la aeronave se acerca al terreno 306 durante el aterrizaje. Además, los marcadores 302 y 304 de simbología de aterrizaje deberán estar aproximadamente a 23 metros de una posición central de la aeronave 300, como indica la línea 310, lo que dará un espacio entre los marcadores 302 y 304 y el rotor de la aeronave de aproximadamente ocho
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metros, como indica la línea 312. Además, la mayor dirección hacia abajo 314 inhibe la visión del piloto del terreno 306 por debajo de la aeronave 300, como indica el punto ciego 316, que comienza aproximadamente a ocho metros del marcador de simbología de aterrizaje hacia delante 302. La nariz de la aeronave 300 estará aproximadamente a 16 metros del marcador 302, como indica la línea 318.
Dado que se tomarán varias observaciones del punto de aterrizaje deseado para diferentes posiciones de la aeronave y ángulos de seguimiento, es importante resolver, en la medida de lo posible, los errores respecto de las diferentes posiciones de la aeronave y ángulos de seguimiento y, posteriormente, corregir dichos errores en los componentes correctos de la posición de la aeronave y el ángulo de seguimiento. Esto puede lograrse mediante la resolución de cada fuente de error a través de distancias hacia el norte, distancias hacia el este, alturas, elevaciones de la vista y ángulos azimutales equivalentes. Se puede utilizar un modelo de error para predecir el probable error de seguimiento y las incertidumbres de navegación producidas por el sistema de navegación inercial de modo de reducir esos errores.
Considere el caso simplificado de una aeronave que se desplaza en una pista hacia el este mientras el piloto hace una observación y designación hacia el norte hasta un punto de aterrizaje deseado X y donde el aparato de ayuda para el aterrizaje calcula el punto de aterrizaje deseado en el punto A. El error en la distancia al norte será XA y será causado por una combinación de errores en la distancia al norte (En), la altura (Eh) y el ángulo de observación de elevación (Ese). La resolución de estos errores en sus distancias de suelo equivalentes da el error de distancia de suelo probable como la suma de los cuadrados de los componentes individuales, a saber:
XA2 = En2 +Eh2+ Ese2
Como la proporción probable de las cantidades de errores se conoce como función de rango, ángulo de observación, modelo de error de seguimiento e incertidumbres de navegación estimadas, se puede calcular el error revelado en la designación de punto de aterrizaje deseada mediante un proceso de observación y designación y correcciones para mejorar la exactitud del aparato de ayuda para el aterrizaje. Estas correcciones pueden aplicarse a la observación y designación actuales y se utilizan como una forma de calibración para mejorar el rendimiento de observaciones y designaciones posteriores. El caso simplificado descrito anteriormente para un solo eje puede aplicarse a múltiples ejes. Se entenderá que las observaciones se realizarán para alcances que sean operacionalmente relevantes para el aparato de ayuda para el aterrizaje y que puedan utilizarse para alcances de menos de 2.000 metros y alturas de menos de 150 metros.
Las incertidumbres respecto de la altura probablemente serán de aproximadamente 0,6 metros, aproximadamente 10 metros para la posición horizontal y aproximadamente 1° para el ángulo de observación.
Por lo tanto, el error de posición acumulada será de aproximadamente 10 metros antes de la corrección para una altura de aproximadamente 30 metros con un ángulo de observación hacia abajo de 45°. Para un error de posición final deseado de la corrección de menos de 0,6 metros es necesario un error de observación equivalente a 0,66°. En consecuencia, si se proporciona un factor de mejora de tres de las estimaciones de error de fuente para cada iteración, se necesita una primera observación y tres correcciones posteriores para dar un error terminal menor que 0,6 metros. Si se logra un factor de mejora de cinco para las estimaciones de error de fuente en cada iteración, se requiere una primera observación y dos correcciones subsiguientes para dar un error terminal mayor que 0,6 metros.
Como se ha discutido anteriormente, se puede mejorar el rendimiento del aparato de ayuda para el aterrizaje mediante el uso de un buscador de alcance apropiado de modo de determinar el alcance entre el punto de aterrizaje deseado y la aeronave. Además, se puede usar un láser de mapeo de suelo o un radar adecuado para medir la superficie del suelo en el punto de aterrizaje deseado antes de que ocurra un brownout y un radar adecuado para proporcionar información adicional al piloto de modo que este pueda evitar objetos durante el brownout.
El brownout es causado por suelos desérticos y arcillosos que se extienden a partir de una densidad de 2 micrones a 50 micrones. Las arcillas tienen usualmente un tamaño menor que 2 micras, los sedimentos generalmente entre 2 y 50 micras y las arenas usualmente son mayores que 50 micras. De manera similar, se puede perder la visión al aterrizar debido a las gotas de agua o a hielo y/o nieve que se elevan desde el terreno y oscurecen la visión del piloto. En consecuencia, es posible equipar el aparato de ayuda para el aterrizaje con un sensor adecuado, según la naturaleza del material de oscurecimiento, que sea activo o pasivo, por ejemplo, un radar orientable que funcione a frecuencias milimétricas, por ejemplo 92Ghz, que le permita al piloto conocer la situación de otros objetos mientras la aeronave atraviesa un brownout.
Nótese que el punto de aterrizaje deseado podría ser preprogramado como el mejor sitio de aterrizaje disponible en una zona dada para la aeronave antes o durante un vuelo de la aeronave. La correlación entre la simbología de aterrizaje calculada y mostrada y un punto de aterrizaje deseado la determinará el piloto de la aeronave, como se describió anteriormente. También es posible que un procesador pueda utilizarse para determinar un factor de correlación aceptable entre la simbología de aterrizaje calculada y el punto de aterrizaje deseado, en lugar de basarse en una correlación visual aceptable por parte del piloto. En este caso, el aparato de ayuda para el aterrizaje asumiría puntos de designación adecuados durante la aproximación de la aeronave a un punto de aterrizaje deseado preprogramado.
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piloto, sin referencia a instrumentos internos de la cabina, para maximizar el conocimiento de la situación del mundo exterior.
En referencia a la Figura 19, que ilustra en parte la simbología de aterrizaje para mayor claridad, la simbología de aterrizaje alternativa incluye además:
5 Una cuadrícula 320 superpuesta por encima o por debajo del círculo 220 que representa la superficie del suelo del punto de aterrizaje y puede derivarse de un modelo geológico plano o una base de datos del terreno. Adicionalmente, se puede mostrar una representación de superficie del suelo derivada de un sensor, como un RADAR o LADAR, junto con la cuadrícula 320 o independientemente de ella, para brindar indicaciones de obstáculos detectados cerca del punto de aterrizaje. Además, los obstáculos aéreos detectados por un sensor pueden representarse dentro del
10 espacio de visualización para proporcionar indicaciones de un peligro potencial al piloto. La cuadrícula 320 proporciona al piloto una vista de los contornos de superficie en el punto de aterrizaje y sus alrededores.
Se utiliza una “Y” estándar de la OTAN 322 para indicar el punto central del círculo 220 en el punto de aterrizaje deseado.
Un par de marcadores tridimensionales 324, típicamente con forma de cono, dispuestos según la "Y" de la OTAN 322 15 para proporcionar al piloto una vista de la ubicación y orientación “Y” de la OTAN 322 con respecto a la aeronave; y
Un par de marcadores tridimensionales 326 o torres distales dispuestas fuera del círculo 220 para proporcionar al piloto una perspectiva en cuanto a la orientación de la aeronave con respecto al círculo 220.
La Figura 20 ilustra la simbología de aterrizaje con conocimiento conforme al suelo junto con la ya existente y conocida simbología de instrumentos de la aeronave.
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