RU2282866C1 - Способ определения пространственного положения объекта - Google Patents

Abstract

Изобретение относится преимущественно к радиопеленгации, а именно к способам определения пространственного положения объекта, например летательного аппарата (ЛА), и азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк. Технический результат - увеличение точности определения местоположения объекта в пространстве независимо от погодных условий за счет повышения точности определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, отсутствие ложного пеленга, повышение безопасности движения объекта, например при посадке, уменьшение весогабаритных характеристик соответствующего бортового оборудования, повышение технико-экономической эффективности. Передающая система маяка передает, а бортовая приемная система (БПС) принимает плоскополяризованное в горизонтальной и/или вертикальной плоскости электромагнитное излучение (ЭМИ). БПС содержит антенное устройство (АУ), выполненное в виде двух антенн, установленных оппозитно, например тыльными основаниями друг к другу, симметрично относительно плоскости, параллельной плоскости, связанной с объектом. Антенна АУ выполнена в виде тела из прозрачного для ЭМС материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью ε и размещенным в материале приемным элементом. Антенна закреплена на объекте так, чтобы угол между продольными осями антенны и объекта обеспечивал большое изменение коэффициента отражения излучения от антенны при изменении направления движения объекта на угол, преимущественно не превышающий один градус. Принятое излучение селектируют, измеряют его уровень, сравнивают уровни принятых антеннами излучений и при неодинаковых уровнях объект поворачивают в соответствующей плоскости до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по этому углу поворота судят об азимутальном/угломестном направлении на соответствующий маяк. 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Изобретение относится к пеленгации с использованием электромагнитного излучения, в том числе, радиопеленгации, а именно к способам, обеспечивающим определение пространственного местоположения объекта, например, летательного аппарата (ЛА) и азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк.

Изобретение может быть применено для определения пространственного положения объекта и определения азимутального и угломестного направлений на используемые соответствующие маяки с целью увеличения точности определения местоположения в пространстве, например ЛА, и выдерживания заданной траектории полета, в том числе, посадки и, тем самым, повышения безопасности воздушного движения, упрощения и уменьшения весогабаритных характеристик соответствующего бортового оборудования объекта, всепогодности системы, реализующей способ, возможности использования одного маяка для ориентации по азимуту (положению объекта по отношению к маяку, в том числе, к заданной линии курса) и углу места (положению объекта по отношению к установленной глиссаде снижения), простоты реализации и другое, то есть усовершенствования при использовании данного способа, в частности, радиотехнической системы радиопеленгации - комплекса маячного и бортового оборудования, позволяющего определять текущие угловые координаты местоположения объекта (в виде азимута и угла места относительно маяка), выполнять движение по заданной траектории с точностями и до высот, соответствующих, например, посадочному минимуму, установленному для данного объекта.

Определение местоположения объекта с большой точностью особенно важно при его посадке, т.к. это напрямую связано с обеспечением безопасности. Актуальность решения такой задачи очевидна: например, 53% всех авиационных происшествий происходит при выполнении заходов на посадку в сложных метеоусловиях, в основном, при ухудшении видимости [1. В.И.Жулев, B.C.Иванов. "Безопасность полетов летательных аппаратов". - М.: Транспорт, 1986, с.24, 150].

Известны способы пеленгации, использующие высокоточные лазерные устройства со слаборасходящимися пучками излучения малого диаметра, реализованные под названием системы "Глиссада" [2. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными частицами. Ч.III, Изд. Томского ф-ла СО АН, 1984, §3.3]. В этом способе комбинация лазерных лучей воспринимается в виде наглядного символа, определяющего положение ЛА относительно посадочной траектории и точки приземления. Это достигается с помощью группы лазерных маяков: курсового, расположенного у торца взлетно-посадочной полосы (ВПП) на оси; двух глиссадных маяков, расположенных с обеих сторон ВПП; двух маяков на противоположной стороне ВПП для обозначения кромки ВПП. Лазерные пучки образуют в пространстве фигуру из трех световых полос, направленных под углом снижения навстречу ЛА. При отклонениях ЛА от курса и глиссады расположение полос в пространстве изменяется. Недостатком этого способа и реализующей его системы является существенная зависимость ее дальности действия от погодных условий.

В настоящее время применяют три способа и соответственно три типа систем определения пространственного положения объекта, например, ЛА: упрощенный, радиомаячный и радиолокационный [3. Боднер В.А. Системы управления летательными аппаратами. - М.: Машиностроение, 1973, с.244-247; 4. Бородин В.Т., Рыльский Г.И. Управление полетом самолетов и вертолетов. -М.: Машиностроение, 1972, с.96-103, 108-115, 187-190; 5. Духон Ю.И., Ильинский Н.Н. Средства управления летательными аппаратами. - М.: Воениздат, 1972, с.306-311, 314-318; 6. Сафронов Н.А. Радиооборудование самолетов. - М.: Машиностроение, 1993, с.305-311, 339-345].

Наземное оборудование упрощенного способа и соответствующей системы включает радиопеленгатор, две приводные аэродромные радиостанции, два или три маркерных радиомаяка (РМ), связные командно-стартовые радиостанции и светотехническое оборудование. В составе бортового оборудования используется связная радиостанция, автоматический радиокомпас, радиовысотомер, радиоприемник сигналов маркерных радиомаяков и пилотажно-навигационные приборы (компас, авиагоризонт, часы и т.д.). Работой системы управляют с командно-диспетчерского или командно-стартового пункта.

В состав радиомаячной системы, реализующей соответствующий способ, входит вышеуказанное оборудование упрощенной системы и дополнительное диспетчерское и радиомаячное оборудование. Последнее содержит курсовой и глиссадный РМ, устанавливаемые на земле, и соответствующие бортовые радиоприемники. Курсовой РМ создает равносигнальную плоскость, совпадающую с вертикальной плоскостью посадочного курса. Его устанавливают в 300...1000 м позади ВПП на ее оси. Глиссадный РМ предназначен для указания экипажу плоскости планирования. Его устанавливают обычно левее ВПП на расстоянии 100...150 м от ее оси или непосредственно на оси ВПП, если РМ имеет невыступающую антенну. Выходные сигналы курсового и глиссадного РМ, пропорциональные угловым отклонениям центра тяжести ЛА от линии планирования, могут быть использованы в качестве сигналов рассогласования при автоматизации изменения пространственного положения объекта.

В состав радиолокационной системы, реализующей соответствующий способ, входит вышеуказанное оборудование упрощенной системы, диспетчерское оборудование (такое же, как в радиомаячной системе) и посадочный радиолокатор. При выполнении, например, посадки положение ЛА относительно линии планирования и ВПП измеряется посадочным радиолокатором, операторы которого определяют требуемый маневр ЛА и передают команды управления экипажу по радиотелефонному каналу. При определенных условиях для выполнения посадки могут быть использованы активные или пассивные бортовые радиолокационные станции, обеспечивающие возможность наблюдения на экране индикатора изображения ВПП.

Однако необходимо дальнейшее повышение точности определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, в пределе - до соответствующей точности лазерных систем. Кроме того, из-за большой массы, габаритов и сложности невозможно оперативно развертывать такие системы, например, на временных ВПП.

Известен способ пеленгации и пеленгатор радиосигналов источников радиоизлучения при размещении антенного устройства на поверхности подвижного объекта, содержащий направленную антенну, поворотное устройство, обеспечивающее изменение положения максимума диаграммы направленности антенны в заданном секторе углов, приемник, соединенный с антенной, и регистратор уровня сигнала в приемнике [7. Г.П.Астафьев, B.C.Шебашевич, Ю.А.Юрков. Радионавигационные устройства и системы. - М.: Сов. Радио, 1958]. Пеленг определяется по направлению в пространстве, соответствующему максимальному уровню сигнала.

Недостатком этого способа и пеленгатора, а также многоканального пеленгатора по [8. Патент RU 2096797 С1, кл. G 01 S 3/14, 1996] является то, что они не позволяют подавлять сигналы, попадающие на антенну после отражения от поверхности объекта. В достаточно сложном решении по изобретению [9. Патент RU 2218580 С2, кл. G 01 S 3/14, 2001] ставится цель снижения, но не полного устранения количества ложных пеленгов, появляющихся в результате приема электромагнитных волн, отраженных от поверхности объекта. В системе, реализующей заявляемый способ [10. Система для определения пространственного положения объекта. Заявка 2005100281 от 13.01.2005], эта проблема решена простыми средствами.

По критерию минимальной достаточности за прототип принимается способ определения пространственного положения объекта с использованием бортового оборудования для измерения азимутального и угломестного направлений и дальности, в том числе, подвижного, например, летательного аппарата, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY и поперечной осью OZ с направлениями соответственно вперед, вверх и вправо, относительно соответствующих маяков с использованием электромагнитных каналов их связи с бортовым оборудованием объекта, при котором формируют и передают электромагнитные сигналы с использованием передающей системы маяка и принимают их бортовой приемной системой, при необходимости по сигналам от упомянутых маяков и соответствующих бортовых датчиков вычисляют и отображают на индикаторах расстояние от этих маяков до объекта, азимутальное и угломестное направления на соответствующий маяк, данные о скорости и траектории движения объекта и его отклонении от заданной траектории, вырабатывают электрические сигналы управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта [11. Авиационная радионавигация. Справочник под ред. А.А.Сосновского. М.: Транспорт, 1990, стр.151].

Способ определения пространственного положения объекта (пеленгации) и радиопеленгационная система по прототипу, хотя и достаточно совершенная на сегодня, не является оптимальной, т.к. точность ориентации ниже, чем в соответствующей лазерной. Способ обладает все еще недостаточными возможностями, например, для обеспечения безопасности полетов (БП), реализующая его система достаточно сложная, использует несколько РМ, что усложняет эксплуатацию, а также исключает быстрое развертывание, например, на временных ВПП.

Сущность изобретения направлена на увеличение точности определения пространственного положения объекта за счет повышения точности определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, тем самым, повышение БП, упрощение реализующей способ системы, повышение ее технико-экономической эффективности, в том числе, из-за экономии частотного ресурса и количества необходимых РМ.

Отличительная особенность заявленного изобретения от прототипа заключается преимущественно в том, что передающей системой соответствующего маяка передают, а бортовой приемной системой принимают плоскополяризованные в горизонтальной и вертикальной плоскостях электромагнитные излучения (ЭМИ), причем антенны антенного устройства выполнены и ориентированы относительно продольной оси объекта (например, ЛА) таким образом, что при изменении направления движения объекта на угол, не превышающий один градус, происходит большое относительное изменение мощности сигнала маяка, регистрируемой бортовой приемной системой. Это позволяет существенно повысить точность определения положения объекта относительно линий курса и глиссады и точность определения азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк по сравнению с прототипом.

Предложен способ определения пространственного положения объекта с использованием бортового оборудования для измерения азимутального и угломестного направлений и дальности, в том числе, подвижного, например, летательного аппарата, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY и поперечной осью OZ с направлениями соответственно вперед, вверх и вправо, относительно соответствующих маяков с использованием электромагнитных каналов их связи с бортовым оборудованием объекта, содержащий следующие существенные признаки прототипа: формируют и передают электромагнитные сигналы с использованием передающей системы маяка и принимают их бортовой приемной системой, при необходимости по сигналам от упомянутых маяков и соответствующих бортовых датчиков вычисляют и отображают на индикаторах расстояние от этих маяков до объекта, азимутальное и угломестное направления на соответствующий маяк, данные о скорости и траектории движения объекта и его отклонении от заданной траектории, вырабатывают электрические сигналы управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта.

Другими существенными, отличительными от прототипа, признаками являются следующие:

для определения азимутального направления на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой соответственно принимают плоскополяризованное в горизонтальной плоскости электромагнитное излучение, преимущественно от 300 МГц и выше, при этом электромагнитное излучение принимают антенным устройством, содержащим две антенны, причем первая из них представляет собой тело, например прямой параллелепипед, с размещенным в нем приемным элементом упомянутого излучения, соединенным с приемным устройством, и со взаимно перпендикулярными продольной ОХ1, нормальной OY1 и поперечной OZ1 осями симметрии и лицевым и тыльным основаниями, ось OY1 направлена от тыльного к лицевому основанию, а оси ОХ1 и OZ1 образуют совместно с осью OY1 правую систему координат, материал тела антенны прозрачен для упомянутого электромагнитного излучения и имеет достаточно большую, возможную для этого излучения относительную диэлектрическую проницаемость ε₁, ориентация антенны по отношению к объекту задана таким образом, чтобы поперечная ось OZ1 антенны была параллельна нормальной оси OY объекта, а положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей ОХ1 и OY1, образуя с осью ОХ1 установочный угол α₁, для упомянутого материала определяемый из условия обеспечения по возможности большого относительного изменения коэффициента отражения излучения от антенны при изменении направления движения объекта в горизонтальной плоскости на угол, преимущественно не превышающий один градус, вторая антенна идентична первой, антенны оппозитны, симметричны относительно плоскости, параллельной плоскости XOY, связанной с объектом, и обращены друг к другу, например, тыльными основаниями, падающее на лицевое основание антенны электромагнитное излучение принимают приемным элементом, от него соответствующий электрический сигнал передают в приемное устройство, в нем из принимаемой антенной совокупного излучения селектируют электромагнитное излучение от соответствующего маяка, например, по его модуляции, измеряют уровень принятого излучения и его изменение при изменении положения объекта в горизонтальной плоскости, сравнивают уровни излучений, принятых первой и второй антеннами, и при неодинаковых уровнях изменяют траекторию движения объекта в горизонтальной плоскости до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по положению объекта при достижении этого условия судят об азимутальном направлении на соответствующий маяк, при этом для определения угломестного направления на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой с антенным устройством, аналогичным антенному устройству для определения азимутального направления, с относительной диэлектрической проницаемостью материала тел антенн ε₂ и ориентацией антенного устройства по отношению к объекту, заданной таким образом, чтобы поперечная ось OZ1 первой антенны была параллельна поперечной оси OZ объекта и положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей ОХ1 и OY1, образуя с осью ОХ1 установочный угол α₂, причем антенны в антенном устройстве симметричны относительно плоскости, параллельной плоскости XOZ, связанной с объектом, соответственно принимают плоскополяризованное в вертикальной плоскости электромагнитное излучение, селектируют его, сравнивают уровни излучений, принятых первой и второй антеннами, и при неодинаковых уровнях изменяют траекторию объекта в вертикальной плоскости до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по положению объекта при достижении этого условия судят об угломестном направлении на соответствующий маяк.

Также для определения одновременно азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой соответственно принимают плоскополяризованные в горизонтальной и вертикальной плоскостях неодинаково модулированные электромагнитные излучения.

Также передающая система соответствующего маяка передает, а бортовая приемная система соответственно принимает электромагнитные излучения с одинаковыми частотами.

Кроме того, передающая система соответствующего маяка передает, а бортовая приемная система соответственно принимает электромагнитные излучения с неодинаковыми частотами.

Также боковые стороны и тыльное основание антенны экранируют от попадания на них электромагнитного излучения.

Кроме того, антенное устройство экранируют от электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта.

Также, например, для привода объекта в заданную вертикальную плоскость с заданным азимутальным направлением и осуществления движения объекта в этой плоскости над поверхностью Земли, передают и принимают электромагнитное излучение от дополнительно введенного по крайней мере еще одного соответствующего маяка, причем основной и дополнительный маяки установлены в заданных местах на расстоянии L друг от друга на линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью, при этом передающая система дополнительного маяка формирует и передает только плоскополяризованное в горизонтальной плоскости электромагнитное излучение.

Также передающие системы дополнительного и основного маяков передают электромагнитные излучения на необязательно одинаковых частотах и модуляциях.

Кроме того, электромагнитное излучение принимают антеннами с упомянутыми установочными углами α₁ и α₂, измененными на α₁±δ₁ и α₂±δ₂, где углы δ₁ и δ₂ преимущественно не превышают половину градуса.

Также при необходимости захода объекта на соответствующий маяк по заданному азимутальному направлению сравнивают его азимутальное направление на соответствующий маяк с заданным, определяют их рассогласование и изменяют траекторию движения объекта для уменьшения величины рассогласования, в том числе, вплоть до нулевого значения.

Также при необходимости захода объекта на соответствующий маяк по заданному угломестному направлению сравнивают его угломестное направление на соответствующий маяк с заданным, определяют их рассогласование и изменяют траекторию движения объекта для уменьшения величины рассогласования, в том числе, вплоть до нулевого значения.

Предлагаемый способ благодаря отличительным от прототипа признакам, в том числе основанных на ранее не использовавшихся при пеленгации закономерностях отражения излучения от сред, и построению реализующей его бортовой приемной системы обеспечивает увеличение точности определения пространственного положения объекта и азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк, и, тем самым, повышение БП, упрощение системы, повышение ее технико-экономической эффективности.

Ниже изобретение описано более детально со ссылками на фигуры и приложение, схематично иллюстрирующими реализацию заявленного способа.

На фиг.1 показана система, реализующая заявляемый способ, на фиг.2 - схемы расположения азимутальной (а) и угломестной (б) антенных устройств, что иллюстрирует физические основы заявляемого способа.

Как и в прототипе, реализующая способ система (фиг.1) содержит функционально связанные передающую систему маяка 1, снабженную средством 2 формирования электромагнитных сигналов, и бортовую приемную систему электромагнитных сигналов 3, бортовой блок 4, включающий, в том числе, функционально связанные определитель дальности положения объекта 5, определитель азимута 6 и определитель угла места 7, соответственно соединенные с бортовыми датчиками 8, формирующими, в том числе, данные о скорости и траектории движения объекта, и, при необходимости, блок 9 передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения на индикаторе 10 и выработки электрических сигналов в другое оборудование, например, в блок 11 выработки сигналов управления органами 12 обеспечения изменения пространственного положения объекта.

Система, реализующая заявляемый способ, содержит все упомянутые составляющие прототипа 1...12 и их функциональные связи, но дополнительно для определения азимутального направления на соответствующий маяк передающая система маяка 1 и бортовая приемная система 3 выполнены с обеспечением соответственно передачи и приема плоскополяризованного в горизонтальной плоскости электромагнитного излучения, преимущественно от 300 МГц и выше, при этом бортовая приемная система 3 содержит антенное устройство 21 (фиг.2а), выполненное из двух антенн 13 (фиг.1 и 2) с размещенным в материале антенны 13 (с относительной диэлектрической проницаемостью ε₁) приемным элементом 14 используемого в работе системы электромагнитного излучения, например, для маяков радиочастотного диапазона - несимметричным электрическим вибратором, при необходимости, с противовесом 15 на тыльном основании тела антенны, соединенными радиокабелем 16 с приемным устройством 17. Приемное устройство 17 включает, в том числе, блок 18 селекции принимаемого от маяка электромагнитного излучения, например, по его модуляции, и блок 19 определения уровня принятого излучения и его изменения при изменении положения объекта в горизонтальной плоскости.

Вторая антенна идентична первой, антенны расположены оппозитно, симметричны относительно плоскости 22, параллельной плоскости XOY, связанной с объектом, и обращены друг к другу, например, тыльными основаниями.

Блок 19 первой антенны и аналогичный блок второй антенны через блок 20 сравнения указанных уровней принятого излучения соединены функционально с определителем 6 азимута положения объекта, входящим в блок 4.

Для определения угломестного направления на соответствующий маяк передающая система маяка 1 и бортовая приемная система 3 выполнены с обеспечением соответственно передачи и приема плоскополяризованного в вертикальной плоскости упомянутого электромагнитного излучения, причем антенное устройство 21 (фиг.2б) выполнено аналогично упомянутому антенному устройству для определения азимутального направления, но с относительной диэлектрической проницаемостью ε₂.

Вторая антенна идентична первой, антенны оппозитны, симметричны относительно плоскости 22, параллельной плоскости XOZ, связанной с объектом, и обращены друг к другу, например, тыльными основаниями.

При этом блок 19 определения уровня принятого излучения и его изменения при изменении положения объекта в вертикальной плоскости первой антенны и аналогичный блок второй антенны через блок 20 сравнения указанных уровней соединен функционально с определителем 7 угла места положения объекта, входящим в блок 4.

Движущийся объект, например летательный аппарат, имеет заданные в правой системе координат продольную ось ОХ, нормальную ось OY и поперечную ось OZ с направлениями соответственно вперед, вверх и вправо.

Антенна 13 (фиг.2а и 2б) выполнена преимущественно в виде тела, например, прямого параллелепипеда со взаимно перпендикулярными продольной ОХ1, нормальной OY1 и поперечной OZ1 осями симметрии и лицевым (л) и тыльным (т) основаниями, при этом ось OY1 направлена от тыльного к лицевому основанию, а оси ОХ1 и OZ1 образуют совместно с осью OY1 правую систему координат, при этом антенна выполнена из прозрачного для используемого в работе системы электромагнитного излучения материала с возможной и достаточно большой для этого излучения относительной диэлектрической проницаемостью. Падающее на лицевое основание излучение показано стрелкой И.

Для определения азимутального направления на соответствующий маяк антенное устройство 21 выполнено с возможностью его крепления в заданном положении на объекте (фиг.2а) таким образом, чтобы поперечная ось OZ1 антенны 13 была параллельна нормальной оси OY объекта, а положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей ОХ1 и OY1, образуя с осью 0Х1 установочный угол α₁, для упомянутого материала определяемый из условия (подробнее о нем далее) обеспечения по возможности большого относительного изменения коэффициента отражения излучения от антенны при изменении направления движения объекта в горизонтальной плоскости на угол, преимущественно не превышающий 1 градус. На фиг.2 оси, направленные на нас, обозначены О, а от нас - ⊕.

Для определения угломестного направления на соответствующий маяк, антенное устройство 21 выполнено с возможностью его крепления в заданном положении на объекте (фиг.2б) таким образом, чтобы поперечная ось антенны OZ1 была параллельна поперечной оси объекта OZ, а положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей ОХ1 и OY1, образуя с осью OХ1 упомянутый установочный угол α₂.

При этом могут быть равны относительные диэлектрические проницаемости ε₁ и ε₂ и соответственно равны установочные углы α₁ и α₂. Также могут быть не равны относительные диэлектрические проницаемости ε₁ и ε₂ и соответственно не равны установочные углы α₁ и α₂.

Для определенности изложения объект далее называем ЛА, маяк - посадочным радиомаяком (ПРМ), используется электромагнитное излучение радиочастотного диапазона.

Сущность способа заключается в следующем.

Электромагнитный сигнал ПРМ формируют средством 2 наземной передающей системы 1 маяка (фиг.1). Его принимают бортовой приемной системой 3 антеннами 13 с приемными элементами 14 (при необходимости, с противовесами 15) и далее по радиокабелям 16 он поступает в приемные устройства 17. В них в блоках 18 из принимаемых антеннами совокупных излучений селектируют излучение ПРМ, например, по его модуляции. В приемных устройствах 17 в блоках 19 измеряют уровни принятых излучений ПРМ и их изменений при изменении положения ЛА в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Информация с блоков 19 передается в блок 20, где сравнивают уровни излучений, принятых первой и второй антенн. При неодинаковых уровнях изменяют траекторию движения объекта в горизонтальной (вертикальной) плоскости до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по положению объекта при достижении этого условия судят об азимутальном (угломестном) направлении на соответствующий маяк. Далее информацию направляют в определитель азимута 6 или соответственно определитель угла места 7 бортового блока 4. В определителе дальности 5 положения ЛА используется любой из известных методов измерения дальности.

Выделенная из блока 4 информация о местоположении ЛА по азимуту (курсу) и углу места (глиссаде) поступает, при необходимости, в блок 9 передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения информации на индикаторе 10 и для выработки электрических сигналов в другое оборудование, например, в блок 11 выработки сигналов управления органами 12 обеспечения изменения пространственного положения (траектории) ЛА, например, при посадке.

В реализующей способ системе использована малогабаритная широкополосная антенна 13, выполненная из материала, прозрачного для используемого в ее работе электромагнитного излучения с возможной и достаточно большой для этого излучения относительной диэлектрической проницаемостью (большим показателем преломления n) и заключенного, например, в объем прямого параллелепипеда. Это позволяет в n раз уменьшить электрическую длину приемного элемента 14 - несимметричного электрического вибратора в теле антенны 13. Например, материалом антенны может служить сегнетокерамика [12. Патент RU 2138102 С1, 20.09.1999]. Для конкретных условий реализации способа при выборе материала антенны необходимо учитывать наличие частотной дисперсии n и тангенса диэлектрических потерь.

Достижение технического результата в предлагаемом способе осуществляется прежде всего за счет эффективного использования законов отражения и преломления электромагнитных волн диэлектриками. В приложении приведены формулы расчета коэффициентов отражения плоскополяризованного электромагнитного излучения при его падении на плоскую поверхность диэлектрика при перпендикулярной (Х3) и параллельной (Y3) поляризациях [13. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика. - М.: Наука, 1980, §65] и формулы расчета отношения отраженных излучений на двух углах падения (D - угловое отклонение или разность этих углов падения), соответственно Х2 и Y2, в зависимости от угла падения Z5. Там же приведены графические и табличные результаты их расчетов для n=10, D=1 градус в диапазоне углов падения от 10 до 90 градусов (угол падения отсчитывается от нормали к поверхности диэлектрика).

Из графиков и таблицы видно, что в данном примере коэффициент отражения Y3 равен практически 0 при "критическом" угле падения β=84,3 градуса, а отклонение в D=1 градус дает отличие отраженных излучений на 74 дБ. Это означает, что при угле падения в районе 84,3 градуса все излучение проходит к приемному элементу 14, но при отклонении от него на 0,5...1 градус сигнал на этом элементе существенно ослабнет вследствие отражения излучения от лицевого основания антенны. На практике можно ограничиться отличием отраженных излучений на ~10 дБ, что соответствует меньшим значениям D. Этот эффект используется в заявляемом способе. А именно, на ЛА располагают антенное устройство так, чтобы установочный угол α между продольной осью ОХ1 антенны 13 и продольной осью ОХ ЛА составлял α=90°-β. Тогда, если направление падающего излучения совпадает с продольной осью ОХ ЛА, то уровень сигнала на приемных элементах 14 будет максимальным и одинаковым для обеих антенн 13. При отклонении направления излучения от оси ОХ сигнал на одном из приемных элементов 14 существенно уменьшается. Производя изменение траектории движения ЛА в горизонтальной плоскости до получения одинакового сигнала от обеих антенн 13 (сравнение производится в блоке 20), пилот, тем самым, ориентирует ЛА на ПРМ. При этом в блоке 4 определяется рассогласование между азимутальным направлением на соответствующий маяк и заданным азимутальным направлением (аналогично, угломестным). Пилот (или автоматика), производя необходимое управление, изменяет траекторию движения ЛА для уменьшения величины рассогласования до значения (в том числе, вплоть до нулевого значения), при котором согласно требованиям для ПРМ 1-й категории отклонение от оси на начало ВПП не превысит ±10,5 м, а для ПРМ 2-й категории - не превысит ±7,5 м. Вследствие резко выраженной чувствительности величины сигнала на приемном элементе 14 к отклонению от угла падения излучения β (на 1°, а для РСБН даже на 0,5°) посадка ЛА будет производиться практически по прямой линии без рыскания.

Для предотвращения попадания на антенну стороннего электромагнитного излучения экранируют от него боковые стороны и тыльное основание. Также для механической защиты лицевого основания антенны на нее может быть нанесен защитный слой, прозрачный для излучения ПРМ.

Для предотвращения попадания на антенное устройство 21 электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта, антенное устройство также экранируют, например, как в системе [10].

При определении одновременно азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк передающая система маяка передает, а бортовая приемная система соответственно принимает плоскополяризованные в горизонтальной и вертикальной плоскостях неодинаково модулированные электромагнитные излучения. Для этого случая передающая система маяка и бортовая приемная система могут, соответственно, передавать и принимать электромагнитные излучения как с одинаковыми, так и с неодинаковыми частотами.

С целью повышения точности, например, радиопеленгации или привода объекта в заданную вертикальную плоскость с заданным азимутальным направлением и осуществления движения объекта в этой плоскости над поверхностью Земли, передают и принимают электромагнитное излучение от дополнительно введенного по крайней мере еще одного соответствующего маяка, причем основной и дополнительный маяки установлены в заданных местах на расстоянии L друг от друга на линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью, при этом передающая система дополнительного маяка формирует и передает только плоскополяризованное в горизонтальной плоскости электромагнитное излучение. Для этого случая частоты и модуляции электромагнитных излучений передающих систем дополнительного и основного маяков необязательно одинаковые.

Для более плавного привода объекта на заданную траекторию электромагнитное излучение принимают антеннами с упомянутыми установочными углами α₁ и α₂, измененными на α₁±δ₁ и α₂±δ₂, где углы δ₁ и δ₂ преимущественно не превышают половину градуса.

Результативность и эффективность использования предлагаемого способа состоит в следующем.

Изобретение позволяет увеличить точность пеленгации и ориентации в пространстве объекта и выдерживания заданной траектории и, тем самым, например, повысить безопасность посадки ЛА, упростить и уменьшить весогабаритные характеристики соответствующего бортового оборудования объекта, реализующая способ система всепогодна, возможно использование, как указывалось, одной частоты электромагнитного излучения маяка для ориентации по азимуту и углу места, также для его реализации возможно применение одного маяка. Способ прост в реализации, его точность близка к способам лазерной ориентации, в том числе при посадке, но лишена его недостатков, легко вписывается в применение с системами навигации, использующими другие способы ориентации.

Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа для определения пространственного положения объекта обеспечивают появление новых свойств, не достигаемых в прототипе и аналогах. Проведенный анализ позволил установить: аналоги с совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию "новизны".

Результаты поиска известных решений в области радиопеленгации, радионавигации и связи с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения действий на достижение указанного результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Claims (11)

1. Способ определения пространственного положения подвижного объекта, например летательного аппарата, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY и поперечной осью OZ относительно соответствующих маяков с использованием бортового оборудования, предназначенного для измерения азимутального и угломестного направлений и дальности подвижного объекта, с использованием электромагнитных каналов связи между с бортовым оборудованием объекта и соответствующим маяком, при котором на маяке формируют и передают посредством передающей системы маяка в бортовое оборудование подвижного объекта электромагнитные сигналы, принимают их бортовой приемной системой, по сигналам от упомянутых маяков и соответствующих бортовых датчиков вычисляют и отображают на индикаторах бортового оборудования подвижного объекта расстояние от этих маяков до объекта, азимутальное и угломестное направления на соответствующий маяк, данные о скорости и траектории движения объекта и его отклонении от заданной траектории, вырабатывают электрические сигналы для управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта, отличающийся тем, что при определении направления на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой соответственно принимают электромагнитное сигналы радиочастотного диапазона, преимущественно от 300 МГц и выше, при этом электромагнитные сигналы принимают соединенным с приемным устройством антенным устройством, содержащим две антенны, причем первая из них заключена в объем, который выполнен в виде прямого параллелепипеда с размещенным в нем приемным элементом электромагнитных сигналов, соединенным с приемным устройством, материал объема антенны прозрачен для электромагнитного излучения и имеет достаточно большую возможную для этого излучения относительную диэлектрическую проницаемость ε, вторая антенна идентична первой, падающее на лицевое основание антенного устройства электромагнитное излучение принимают приемным элементом, от него соответствующий электрический сигнал передают в приемное устройство, в нем из принимаемого антенным устройством совокупного излучения селектируют электромагнитное излучение от соответствующего маяка, например, по его модуляции, измеряют уровень принятого излучения и его изменение, сравнивают уровни излучений, принятых первой и второй антеннами, и при неодинаковых уровнях изменяют траекторию движения объекта до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по положению объекта при достижении этого условия судят о направлении на соответствующий маяк.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения азимутального направления на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой, соответственно, принимают плоскополяризованное в горизонтальной плоскости электромагнитное излучение, объем первой и второй антенн выполнены в виде прямоугольного параллелепипеда со взаимно перпендикулярными продольной OX₁, нормальной OY₁ и поперечной OZ₁ осями симметрии и лицевыми и тыльными основаниями, причем ось OY₁ направлена от тыльного к лицевому основанию, а оси OX₁ и OZ₁ образуют совместно с осью OY₁ правую систему координат, ориентация антенны по отношению к объекту задана таким образом, чтобы поперечная ось OZ₁ антенны была параллельна нормальной оси OY объекта, а положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей OX₁ и OY₁, образуя с осью OX₁ установочный угол α₁, для упомянутого материала, определяемый из условия обеспечения по возможности большого относительного изменения коэффициента отражения излучения от антенного устройства при изменении направления движения объекта в горизонтальной плоскости на угол, преимущественно не превышающий один градус, антенны в антенном устройстве оппозитны, симметричны относительно плоскости, параллельной плоскости XOY, связанной с объектом, и обращены друг к другу, например, тыльными основаниями, при сравнении уровней излучений изменение траектории движения объекта осуществляют в горизонтальной плоскости до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по положению объекта при достижении этого условия судят об азимутальном направлении на соответствующий маяк.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения угломестного направления на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой соответственно принимают плоскополяризованное в вертикальной плоскости электромагнитное излучение, ориентация антенного устройства по отношению к объекту заданна таким образом, чтобы поперечная ось OZ₁ первой антенны была параллельна поперечной оси OZ объекта и положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей OX₁ и OY₁, образуя с осью OX₁ установочный угол α₂, причем антенны в антенном устройстве симметричны относительно плоскости, параллельной плоскости XOZ, связанной с объектом, селектируют принятое электромагнитное излучение, сравнивают уровни излучений, принятых первой и второй антеннами антенного устройства, и при неодинаковых уровнях изменяют траекторию объекта в вертикальной плоскости до получения одинаковых сигналов от обеих антенн и по положению объекта при достижении этого условия судят об угломестном направлении на соответствующий маяк.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что для определения одновременно азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк передающей системой маяка передают, а бортовой приемной системой, соответственно, принимают плоскополяризованные в горизонтальной и вертикальной плоскостях неодинаково модулированные электромагнитные излучения.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что передающая система соответствующего маяка передает, а бортовая приемная система, соответственно, принимает электромагнитные излучения с необязательно одинаковыми частотами.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что боковые стороны и тыльное основание антенны экранируют от попадания на них электромагнитного излучения, а антенное устройство экранируют от электромагнитного излучения, приходящего из задней полусферы пространства, и электромагнитного излучения соответствующего маяка, отраженного от поверхности объекта.

7. Способ по п.1, отличающийся тем, что, например, для привода объекта в заданную вертикальную плоскость с заданным азимутальным направлением и осуществления движения объекта в этой плоскости над поверхностью Земли передают и принимают электромагнитное излучение от дополнительно введенного по крайней мере еще одного соответствующего маяка, причем основной и дополнительный маяки установлены в заданных местах на расстоянии L друг от друга на линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью, при этом передающая система дополнительного маяка формирует и передает только плоскополяризованное в горизонтальной плоскости электромагнитное излучение.

8. Способ по п.5, отличающийся тем, что передающие системы дополнительного и основного маяков передают электромагнитные излучения на не обязательно одинаковых частотах и модуляциях.

9. Способ по п.1, отличающийся тем, что электромагнитное излучение принимают антеннами с упомянутыми установочными углами α₁ и α₂, измененными на α₁±δ₁ и α₂±δ₂, где углы δ₁ и δ₂ преимущественно не превышают половину градуса.

10. Способ по п.1, отличающийся тем, что при необходимости захода объекта на соответствующий маяк по заданному азимутальному направлению сравнивают его азимутальное направление на соответствующий маяк с заданным, определяют их рассогласование и изменяют траекторию движения объекта для уменьшения величины рассогласования, в том числе вплоть до нулевого значения.

11. Способ по п.1, отличающийся тем, что при необходимости захода объекта на соответствующий маяк по заданному угломестному направлению сравнивают его угломестное направление на соответствующий маяк с заданным, определяют их рассогласование и изменяют траекторию движения объекта для уменьшения величины рассогласования, в том числе вплоть до нулевого значения.

Images