RU2548366C1 - Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway - Google Patents

Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway Download PDF

Info

Publication number
RU2548366C1
RU2548366C1 RU2014101902/07A RU2014101902A RU2548366C1 RU 2548366 C1 RU2548366 C1 RU 2548366C1 RU 2014101902/07 A RU2014101902/07 A RU 2014101902/07A RU 2014101902 A RU2014101902 A RU 2014101902A RU 2548366 C1 RU2548366 C1 RU 2548366C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
location
angles
laser
radiation
Prior art date
Application number
RU2014101902/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Георгиевич Бондарев
Евгений Михайлович Сербин
Евгений Андреевич Уманский
Original Assignee
Валерий Георгиевич Бондарев
Евгений Михайлович Сербин
Евгений Андреевич Уманский
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Георгиевич Бондарев, Евгений Михайлович Сербин, Евгений Андреевич Уманский filed Critical Валерий Георгиевич Бондарев
Priority to RU2014101902/07A priority Critical patent/RU2548366C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2548366C1 publication Critical patent/RU2548366C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: method consists in estimate of coordinates of aircraft location and angles of swing, head and pitch according to information read-out from three spaced photosensitive receivers installed on an aircraft, radiation of a laser beacon scanning a vicnity with the narrow beam modulated by the size of its bearing angle and angle of altitude.
EFFECT: improvement of accuracy and reliability of identification of location of the aircraft with respect to a runway.
3 dwg

Description

Изобретение относится к системам оптической навигации, в частности, с использованием лазерных и оптических источников и может быть использовано для обеспечения посадки летательных аппаратов, движения судов, дорожно-строительной, сельскохозяйственной техники и автомобильного транспорта.The invention relates to optical navigation systems, in particular, using laser and optical sources, and can be used to ensure the landing of aircraft, ship traffic, road construction, agricultural machinery and road transport.

Известен оптический маяк визуальной посадки по глиссаде [1], в котором реализуется способ формирования с помощью ламповых источников света в вертикальной плоскости прилегающие друг к другу световые зоны разных цветов, при этом правильному полету по глиссаде соответствует нахождение летательного аппарата (ЛА) в центральной угловой зоне зеленого цвета. Недостатками этого способа является низкая информативность из-за отсутствия горизонтальных огней и информации об относительном положении в цветовой зоне (край или середина). Кроме того, у руководителя визуальной посадки отсутствует достоверная информация о положении ЛА относительно глиссадных огней, что снижает вероятность безопасной посадки, т.к. не обеспечивается возможность объективной коррекции траектории ЛА с земли или корабля в случае неадекватных действий пилота.Known optical beacon visual landing along the glide path [1], which implements a method of forming using lamp sources of light in a vertical plane adjacent to each other light zones of different colors, while the correct flight along the glide path corresponds to the location of the aircraft in the central corner zone green color. The disadvantages of this method is the low information content due to the lack of horizontal lights and information about the relative position in the color zone (edge or middle). In addition, the head of the visual landing does not have reliable information about the position of the aircraft relative to the glide path, which reduces the likelihood of a safe landing, because the possibility of objective correction of the aircraft trajectory from the ground or ship is not provided in case of inadequate pilot actions.

Известно устройство определения положения ЛА в пространстве с помощью мобильной лазерной трехцветной навигационной системы [2], в котором используется способ, основанный на формировании цветовых зон в окрестности посадочной траектории и визуальном восприятии летчиком излучения в заданной длине волны. Способ реализуется посредством двух источников оптического излучения, разнесенных в пространстве, образуя, таким образом, три зоны, покрытые оптическим излучением разных длин волн. Каждый источник позволяет получить не менее двух неперекрывающихся пучков оптического излучения с различными длинами волн. Оптические пучки с совпадающими диапазонами длин волн перекрываются в зоне створа. Вне зоны створа эти пучки перекрываются с пучками оптического излучения иных диапазонов длин волн.A device for determining the position of an aircraft in space using a mobile laser three-color navigation system [2], which uses a method based on the formation of color zones in the vicinity of the landing trajectory and visual perception by the pilot of radiation at a given wavelength. The method is implemented by two sources of optical radiation spaced in space, thus forming three zones covered by optical radiation of different wavelengths. Each source allows you to get at least two non-overlapping beams of optical radiation with different wavelengths. Optical beams with matching wavelength ranges overlap in the alignment zone. Outside the alignment zone, these beams overlap with optical radiation beams of other wavelength ranges.

Недостатками данного способа являются низкая точность, поскольку положение ЛА относительно оси взлетно-посадочной полосы (ВПП) в пределах одной цветовой зоны является неопределенным. Кроме этого, положение ЛА оценивается летчиком визуально, что приводит к необходимости участия человека в контуре управления самолетом, при этом автоматическая посадка невозможна.The disadvantages of this method are the low accuracy, since the position of the aircraft relative to the axis of the runway (runway) within the same color zone is uncertain. In addition, the position of the aircraft is evaluated visually by the pilot, which leads to the need for human participation in the aircraft control loop, while automatic landing is not possible.

Технической задачей изобретения является повышение точности и надежности измерения местоположения ЛА относительно ВПП, обеспечение дополнительного измерения углов рыскания, крена, тангажа, а также автоматизация процесса измерения этих параметров.An object of the invention is to increase the accuracy and reliability of measuring the location of the aircraft relative to the runway, providing additional measurement of yaw, roll, pitch, and automation of the process of measuring these parameters.

Технический результат при использовании заявляемого способа заключается в повышении точности определения местоположения относительно ВПП и углов ориентации ЛА, достигаемой за счет использования лазерного ИК маяка, трех приемников излучения лазера, вычислителя координат ЛА, где осуществляется решение системы нелинейных алгебраических уравнений относительно искомых координат ЛА - X, Y, Z, γ, ψ, υ.The technical result when using the proposed method is to increase the accuracy of determining the location relative to the runway and the orientation angles of the aircraft, achieved through the use of a laser IR beacon, three laser radiation receivers, an aircraft coordinate calculator, where a system of nonlinear algebraic equations is solved with respect to the desired coordinates of the aircraft - X, Y, Z, γ, ψ, υ.

Единый технический результат изобретения достигается тем, что в способе определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно оси взлетно-посадочной полосы, основанном на формировании световых зон в окрестности посадочной траектории и визуальном восприятии летчиком излучения заданной длины волны, регистрируют излучение установленного в окрестности взлетно-посадочной полосы лазерного маяка посредством трех разнесенных приемников излучения, выполненных в виде фоточувствительных датчиков, установленных на ЛА, лазерный маяк, обеспечивающий сканирование околоземного пространства узким лучом полупроводникового лазера, модулированным в зависимости от угла поворота α от оси ОХ по азимуту и по высоте - β, развертка лазерного луча может выполняться построчным способом, при этом определяют координаты ЛА в горизонтальной системе координат OXYZ, ось ОХ которой параллельна оси взлетно-посадочной полосы, а также углы ориентации ЛА: углы рыскания, крена и тангажа, путем численного решения системы нелинейных алгебраических уравнений:A single technical result of the invention is achieved by the fact that in a method for determining the location and orientation angles of an aircraft relative to the axis of the runway, based on the formation of light zones in the vicinity of the landing path and the pilot's visual perception of radiation of a given wavelength, the radiation of a runway installed in the vicinity is recorded laser beacon strips by means of three spaced radiation detectors made in the form of photosensitive sensors installed on an aircraft, a laser beacon that provides scanning of the near-Earth space with a narrow beam of a semiconductor laser, modulated depending on the angle of rotation α from the OX axis in azimuth and height — β, the laser beam can be scanned line by line, and the coordinates of the aircraft are determined in a horizontal coordinate system OXYZ, the OX axis of which is parallel to the axis of the runway, as well as the orientation angles of the aircraft: yaw, roll and pitch angles, by numerically solving a system of nonlinear algebraic equations:

Figure 00000001
Figure 00000001

где α1, β1, α2, β2, α3, β3 - углы местоположения первого, второго и третьего фоточувствительных датчиков, снимаемые в виде цифрового кода с этих датчиков;where α 1 , β 1 , α 2 , β 2 , α 3 , β 3 are the location angles of the first, second, and third photosensitive sensors, taken as a digital code from these sensors;

Bx, By, Bz - координаты расположения фоточувствительных датчиков в системе координат O(1)X(1)Y(1)Z(1);B x , B y , B z - location coordinates of photosensitive sensors in the coordinate system O (1) X (1) Y (1) Z (1) ;

ψ, γ, υ - углы рыскания, крена и тангажа ЛА соответственно;ψ, γ, υ - angles of yaw, roll and pitch of the aircraft, respectively;

X, Y, Z - координаты ЛА в системе координат OXYZ.X, Y, Z - the coordinates of the aircraft in the coordinate system OXYZ.

Существенными отличительными признаками от прототипа по способу является следующая совокупность действий:Salient features from the prototype of the method is the following set of actions:

формирование дискретного электромагнитного поля в инфракрасном диапазоне (например, 1,55 мкм.);the formation of a discrete electromagnetic field in the infrared range (for example, 1.55 microns.);

модуляция лазерного луча по величине угла азимута и высоты;laser beam modulation in terms of azimuth angle and height;

вычисление координат местоположения летательного аппарата, углов рыскания, крена, тангажа, по информации, полученной с приемников излучения лазерного маяка.calculation of the coordinates of the location of the aircraft, yaw angles, roll, pitch, according to information received from the radiation receivers of the laser beacon.

На фиг.1 показана схема расположения лазерного маяка и ЛА, с установленными на нем фоточувствительными приемниками, в процессе определения местоположения и углов ориентации ЛА; на фиг.2 - сканирующее устройство маяка, реализующее предлагаемый способ; на фиг.3 - вероятность сбоя оптического канала связи для различных географических регионов.Figure 1 shows the arrangement of the laser beacon and the aircraft, with photosensitive receivers installed on it, in the process of determining the location and orientation angles of the aircraft; figure 2 is a scanning device of a lighthouse that implements the proposed method; figure 3 - the probability of failure of the optical communication channel for various geographical regions.

Способ реализуется следующим образом. В начале горизонтальной системы координат OXYZ расположен лазерный маяк, обеспечивающий сканирование околоземного пространства узким лучом полупроводникового лазера. Лазерный луч модулирован (например, посредством импульсно-кодовой модуляции) в зависимости от угла поворота α от оси ОХ по азимуту и по высоте - β (фиг.1).The method is implemented as follows. At the beginning of the OXYZ horizontal coordinate system, a laser beacon is located, providing scanning of the near-Earth space with a narrow beam of a semiconductor laser. The laser beam is modulated (for example, by pulse-code modulation) depending on the angle of rotation α from the axis OX in azimuth and in height - β (Fig. 1).

Развертка лазерного луча может выполняться построчным способом, который десятки лет успешно применяется в телевидении, например, посредством устройства, показанного на фиг.2, где позициями обозначены следующие элементы:The laser beam scan can be performed in a line-by-line manner, which has been successfully used in television for decades, for example, by means of the device shown in FIG. 2, where the following elements are indicated by positions:

1 - лазерный излучатель;1 - laser emitter;

2 - зеркало для развертки по вертикали (ось вращения горизонтальна);2 - a mirror for vertical scanning (the axis of rotation is horizontal);

3 - вращающееся зеркало для развертки по горизонтали (ось вращения вертикальна);3 - a rotating mirror for horizontal scanning (the axis of rotation is vertical);

4 - электродвигатель;4 - electric motor;

5 - луч лазера.5 - laser beam.

Устройство развертки лазерного луча обеспечивает развертку по горизонтали на угол 0°≤α≤360°, а также по вертикали на угол β (фиг.1) при необходимости, для сужения горизонтальной развертки зеркало 3 необходимо выполнить в виде равносторонней пирамиды с отражающими боковыми гранями (фиг.2).The laser beam scanner provides a horizontal scan at an angle of 0 ° ≤α≤360 °, and also vertically at an angle β (Fig. 1), if necessary, to narrow the horizontal scan, mirror 3 must be made in the form of an equilateral pyramid with reflecting side faces ( figure 2).

На ЛА установлена группа разнесенных фоточувствительных приемников Р1, Р2, Р3, которые принимают лазерное излучение, и после демодуляции полученных сигналов формируется три сигнала α1, α2, α3, об угловом положении фотоприемников по азимуту и по высоте β1, β2, β3 в системе координат OXYZ. Считаем, что координаты фотоприемников P1(Bx,0,0), P2(0,By,0), P3(0,0,Bz) в системе координат O(1)X(1)Y(1)Z(1) известны. Задача состоит в определении линейного и углового положения ЛА в системе OXYZ, заданного координатами x, y, z положения начала координат O(1) и углами ψ, γ, υ - определяющими угловое положение системы в системе OXYZ (фиг.1).A set of spaced photosensitive receivers Р 1 , Р 2 , Р 3 , which receive laser radiation, is installed on the aircraft, and after demodulation of the received signals, three signals α 1 , α 2 , α 3 are generated, about the angular position of the photodetectors in azimuth and in height β 1 , β 2 , β 3 in the coordinate system OXYZ. We assume that the coordinates of the photodetectors P 1 (B x , 0,0), P 2 (0, B y , 0), P 3 (0,0, B z ) in the coordinate system O (1) X (1) Y ( 1) Z (1) are known. The task is to determine the linear and angular position of the aircraft in the OXYZ system, given by the x, y, z coordinates of the position of the origin O (1) and the angles ψ, γ, υ that determine the angular position of the system in the OXYZ system (Fig. 1).

Запишем векторы O P i ¯ ( i = 1 3 )

Figure 00000002
и соотношения, связывающие эти векторыWrite vectors O P i ¯ ( i = one ... 3 )
Figure 00000002
and relations connecting these vectors

O P 1 ¯ = O O ( 1 ) ¯ + i ( 1 ) B x

Figure 00000003
O P one ¯ = O O ( one ) ¯ + i ( one ) B x
Figure 00000003

O P 2 ¯ = O O ( 1 ) ¯ + j ( 1 ) B y

Figure 00000004
O P 2 ¯ = O O ( one ) ¯ + j ( one ) B y
Figure 00000004

O P 3 ¯ = O O ( 1 ) ¯ + k ( 1 ) B z

Figure 00000005
O P 3 ¯ = O O ( one ) ¯ + k ( one ) B z
Figure 00000005

где i(1), j(1), k(1) - орты системы координат O(1)X(1)Y(1)Z(1), O O ( 1 ) ¯

Figure 00000006
- вектор положения начала системы координат O(1)X(1)Y(1)Z(1).where i (1) , j (1) , k (1) are the unit vectors of the coordinate system O (1) X (1) Y (1) Z (1) , O O ( one ) ¯
Figure 00000006
is the position vector of the origin of the coordinate system O (1) X (1) Y (1) Z (1) .

Спроецируем эти уравнения на оси системы координат OXYZ, для этого умножим их поочередно на орты i, j, k.We project these equations on the axis of the OXYZ coordinate system, for this we multiply them alternately by the unit vectors i, j, k.

Figure 00000007
Figure 00000007

Выразим координаты фотоприемников через измеряемые ими углыWe express the coordinates of the photodetectors through the angles measured by them

Xi=OPicosα1cosβ1,X i = OP i cosα 1 cosβ 1 ,

Yi=OPisinα1cosβ1,Y i = OP i sinα 1 cosβ 1 ,

Zi=OPisinβ1,Z i = OP i sinβ 1 ,

где

Figure 00000008
- модуль вектора OPi.Where
Figure 00000008
- the module of the vector OP i .

Используя последние соотношения, преобразуем выражения (2)Using the last relations, we transform expressions (2)

OP1cosα1cosβ1=ii(1)Bx+XOP 1 cosα 1 cosβ 1 = ii (1) B x + X

OP1sinα1cosβ1=ji(1)Bx+YOP 1 sinα 1 cosβ 1 = ji (1) B x + Y

OP1sinβ1=ki(1)Bx+ZOP 1 sinβ 1 = ki (1) B x + Z

OP2cosα2cosβ2=ij(1)By+XOP 2 cosα 2 cosβ 2 = ij (1) B y + X

OP2sinα2cosβ2=jj(1)By+YOP 2 sinα 2 cosβ 2 = jj (1) B y + Y

OP2sinβ2=kj(1)By+ZOP 2 sinβ 2 = kj (1) B y + Z

OP3cosαcosβ3=ik(1)Bz+XOP 3 cosαcosβ 3 = ik (1) B z + X

OP3sinα3cosβ3=jk(1)Bz+YOP 3 sinα 3 cosβ 3 = jk (1) B z + Y

OP3sinβ3=kk(1)Bz+ZOP 3 sinβ 3 = kk (1) B z + Z

Исключим из этих соотношений параметры OP1, OP2, и OP3 We exclude from these relations the parameters OP 1 , OP 2 , and OP 3

Figure 00000009
Figure 00000009

Взаимное угловое положение систем координат OXYZ и O(1)X(1)Y(1)Z(1) описывается матрицей направляющих косинусов следующего вида

Figure 00000010
The mutual angular position of the coordinate systems OXYZ and O (1) X (1) Y (1) Z (1) is described by the matrix of guiding cosines of the following form
Figure 00000010

Подставим в соотношения (3) выражения коэффициентов матрицы направляющих косинусовWe substitute the expressions of the coefficients of the matrix of guide cosines into relations (3)

Figure 00000011
Figure 00000011

Полученная нелинейная система уравнений относительно неизвестных X, Y, Z, γ, ψ, υ может быть решена одним из численных методов, например Ньютона, Адамса, последовательных приближений.The resulting nonlinear system of equations for the unknown X, Y, Z, γ, ψ, υ can be solved by one of the numerical methods, for example, Newton, Adams, successive approximations.

Таким образом, предлагаемая измерительная система обеспечивает полное решение задачи навигации в окрестности маяка, поскольку определяется не только местоположение ЛА (координаты X, Y, Z), но и его угловое положение (углы γ, ψ, υ). Вычисление неизвестных X, Y, Z, γ, ψ, υ в реальном времени обеспечивает знание текущих координат положения ЛА и открывает возможность автоматизации управления движением в соответствии с решаемой задачей.Thus, the proposed measuring system provides a complete solution to the navigation problem in the vicinity of the lighthouse, since it is determined not only the location of the aircraft (coordinates X, Y, Z), but also its angular position (angles γ, ψ, υ). Real-time calculation of unknown X, Y, Z, γ, ψ, υ provides knowledge of the current coordinates of the aircraft position and opens the possibility of automation of motion control in accordance with the task at hand.

Поскольку рассматриваемый способ измерения относится к навигации, то чрезвычайно важным является вопрос о потенциальной надежности и точности системы в случае ее реализации.Since the measurement method under consideration relates to navigation, the question of the potential reliability and accuracy of the system if implemented is extremely important.

Надежность такой системы измерения положения может оказаться недостаточной из-за влияния атмосферных условий на информационный канал связи, возникающий между маяком при передаче сигналов α1, α2, α3, β1, β2, β3 и фоточувствительными приемниками. Поэтому без оценки надежности такого информационного канала рассмотрение предложенного способа измерения положения является некорректным.The reliability of such a position measurement system may not be sufficient due to the influence of atmospheric conditions on the communication channel that occurs between the beacon during the transmission of signals α 1 , α 2 , α 3 , β 1 , β 2 , β 3 and photosensitive receivers. Therefore, without assessing the reliability of such an information channel, consideration of the proposed method for measuring position is incorrect.

При правильной установке и настройке атмосферного оптического канала связи, определяющим фактором надежности этого канала являются погодные условия в месте его расположения [3]. Влияние атмосферы проявляется в ослаблении луча метеорологическими факторами: дождем, снегом, туманом, песчаной бурей, а также техногенными аэрозолями. Также дополнительными факторами уменьшения мощности излучения в плоскости приема являются турбулентные образования в атмосфере и их взаимодействие с излучением лазера, что приводит к так называемым "дрожанию" луча и его "пятнистости" в плоскости приема.With proper installation and configuration of the atmospheric optical communication channel, the determining factor in the reliability of this channel is the weather conditions at its location [3]. The influence of the atmosphere is manifested in the attenuation of the beam by meteorological factors: rain, snow, fog, sandstorm, as well as man-made aerosols. Also, additional factors for reducing the radiation power in the receiving plane are turbulent formations in the atmosphere and their interaction with the laser radiation, which leads to the so-called “trembling” of the beam and its “spotting” in the receiving plane.

Оценку вероятности сбоя оптического канала связи проведем по методике, представленной в статье [3]. Терминология, используемая в этом пункте, соответствует той, которая использовалась в статье.We estimate the probability of failure of the optical communication channel according to the technique presented in [3]. The terminology used in this paragraph corresponds to that used in the article.

Основным параметром, описывающим процесс взаимодействия оптического излучения с атмосферой, является метеорологическая дальность видимости (МДВ). Погодные условия различаются не только для различных географических районов, но и от года к году. Статистическим параметром погоды для конкретного географического места, определяющим надежность канала связи, является доля времени за год, в течение которого МДВ меньше заданной величины. Обработка статистических данных метеорологических наблюдений позволила определить эмпирическую зависимость этого параметра от расстояния, следующего вида [3]:The main parameter describing the process of interaction of optical radiation with the atmosphere is the meteorological range of visibility (MDV). Weather conditions vary not only for different geographical areas, but also from year to year. The statistical weather parameter for a specific geographical location, which determines the reliability of the communication channel, is the fraction of the time for the year during which the MDV is less than the specified value. Processing the statistical data of meteorological observations made it possible to determine the empirical dependence of this parameter on distance, of the following form [3]:

Figure 00000012
Figure 00000012

где W(L) - вероятность наступления погодных условий, при которых МДВ меньше расстояния L,where W (L) is the probability of the occurrence of weather conditions under which the MDV is less than the distance L,

L - расстояние оптического канала связи, м,L is the distance of the optical communication channel, m,

ai, bi - константы для конкретной географической точки.a i , b i - constants for a specific geographical point.

Соотношение (4) справедливо для МДВ менее 17 км [3].Relation (4) is valid for MDVs of less than 17 km [3].

Константы для конкретной географической точки (по различным городам России) приведены в таблице 1, они рассчитаны за период наблюдения в несколько лет по некоторым городам, расположенным в различных географических регионах России.The constants for a specific geographical point (for various cities of Russia) are given in table 1, they are calculated for the observation period of several years for some cities located in different geographical regions of Russia.

В ясную погоду турбулентность атмосферы определяет предельную дальность связи. Влияние турбулентности атмосферы и сцинтилляции в пучке лазерного излучения значительно ослабляется при введении нескольких лазерных передатчиков, поскольку их излучение существенно некогерентно.In clear weather, atmospheric turbulence determines the ultimate communication range. The effect of atmospheric turbulence and scintillation in a laser beam is significantly attenuated by the introduction of several laser transmitters, since their radiation is substantially incoherent.

В настоящее время теория турбулентных процессов в атмосфере, относящаяся к инерционному интервалу развития турбулентности, позволяет описать многие флуктуационные эффекты в лазерных пучках на атмосферных трассах. Эта теория, основанная на "законе двух третей" Колмогорова, предполагает наличие процесса каскадного дробления вихрей при устойчивом спектре распределения размеров неоднородностей. Такой подход долгое время служил почти единственной основой для интерпретации экспериментальных данных о флуктуациях лазерного излучения в атмосфере, в том числе и на приземных трассах. А применительно к случаю распространения лазерного излучения в приземном слое воздуха эта теория оказывается слишком грубым приближением. Анализ результатов исследований, изложенных в различных публикациях, показывает, что турбулентность в приземном слое воздуха носит более сложный характер, что обусловлено развитием различного рода неустойчивостей. Так как в настоящее время отсутствуют законченные теоретические исследования, которые позволяют оценить параметры надежности канала связи, а также усреднить влияние апертуры приемника и учесть разрушение когерентности на аэрозолях атмосферы, то предлагается эмпирическая зависимость, оценивающая данные факторы [3]At present, the theory of turbulent processes in the atmosphere, relating to the inertial interval of turbulence development, allows one to describe many fluctuation effects in laser beams on atmospheric paths. This theory, based on Kolmogorov’s “two-thirds law,” suggests a cascade process of vortex fragmentation with a stable size distribution spectrum of inhomogeneities. Such an approach has long served as almost the only basis for interpreting experimental data on fluctuations of laser radiation in the atmosphere, including on surface paths. And in the case of the propagation of laser radiation in the surface layer of air, this theory turns out to be too rough an approximation. An analysis of the results of studies described in various publications shows that turbulence in the surface air layer is more complex, due to the development of various kinds of instabilities. Since there are currently no complete theoretical studies that allow us to estimate the reliability parameters of the communication channel, as well as to average the influence of the aperture of the receiver and take into account the destruction of coherence on aerosols of the atmosphere, an empirical dependence is estimated that estimates these factors [3]

Figure 00000013
Figure 00000013

где I - фактор возможного ослабления сигнала на расстоянии L, дБ,where I is the factor of possible signal attenuation at a distance L, dB,

L - расстояние от передатчика до приемника, м,L is the distance from the transmitter to the receiver, m,

Θ - полный угол расходимости излучения передатчика, рад,Θ is the full angle of divergence of the radiation from the transmitter, glad

Dr - диаметр апертуры оптической системы приемника, м.D r - the diameter of the aperture of the optical system of the receiver, m

Выражение (5) было получено на основании прямых измерений, а также данных других производителей атмосферных оптических линий связи, в частности Optical Access [3].Expression (5) was obtained on the basis of direct measurements, as well as data from other manufacturers of atmospheric optical communication lines, in particular Optical Access [3].

Используя закон Бугера, а также фактор геометрического ослабления сигнала, из выражения (5) получаем уравнение определения максимальной длины трассы при данной МДВUsing Booger's law, as well as the geometric attenuation factor of the signal, from expression (5) we obtain the equation for determining the maximum path length for a given MDV

Figure 00000014
Figure 00000014

где Pt - импульсная мощность передатчиков, Вт,where P t is the pulse power of the transmitters, W,

Pr - чувствительность приемника при соотношении сигнал/шум 10/1, Вт,P r is the sensitivity of the receiver with a signal to noise ratio of 10/1, W,

V - метеорологическая дальность видимости, м,V - meteorological visibility range, m,

N - количество передающих лазеров.N is the number of transmitting lasers.

Коэффициент 1,2 при V введен для учета длины волны инфракрасного излучения лазеров (0,8-1,6 мкм) [3].A coefficient of 1.2 at V was introduced to take into account the wavelength of infrared laser radiation (0.8-1.6 μm) [3].

Используя выражения (4) и (6), получим соотношение для определения надежности канала связи в зависимости от дальности и погодных условий для конкретной местности.Using expressions (4) and (6), we obtain the ratio for determining the reliability of the communication channel depending on the range and weather conditions for a particular area.

Figure 00000015
Figure 00000015

Полученное выражение (7) используем при вычислении вероятности сбоя оптического канала связи для различных географических регионов, таких как Ижевск, Ярославль, Киров. При этом в качестве исходных данных для вычисления использовались следующие значения константы ai, bi для конкретной географической точки (таблица 1):The obtained expression (7) is used in calculating the probability of failure of the optical communication channel for various geographical regions, such as Izhevsk, Yaroslavl, Kirov. In this case, the following values of the constant a i , b i for a specific geographical point were used as initial data for the calculation (table 1):

расстояние от лазерных маяков до приемника излучения до 2500 м; угол расхождения излучения 10-5 рад; диаметр апертуры оптической системы приемника 0,01 м; МДВ - 30 м.; N=1.distance from laser beacons to the radiation receiver up to 2500 m; radiation divergence angle of 10 -5 rad; the diameter of the aperture of the optical system of the receiver is 0.01 m; MDV - 30 m.; N = 1.

Figure 00000016
Figure 00000016

Результат вычислений приведен на фиг.3. Он иллюстрирует вероятность сбоя оптического канала связи в зависимости от дистанции, выбранной в разных географических точках.The calculation result is shown in figure 3. It illustrates the likelihood of a failure in the optical communication channel depending on the distance selected at different geographical locations.

Использование подобных оценок дает возможность с высокой достоверностью определить надежность канала связи для заданной дистанции или допустимую дистанцию при заданной надежности канала связи.The use of such estimates makes it possible to determine with high reliability the reliability of the communication channel for a given distance or the allowable distance for a given reliability of the communication channel.

Следует отметить, что в мировой практике рекомендуемую дальность связи оптических систем принято оценивать для погодных условий основных городов ведущих стран мира [3]. В любом случае для принятия решения о применении канала атмосферной лазерной связи рекомендуется использовать изложенные выше оценочные расчеты, учитывающие конкретные погодные условия и параметры систем.It should be noted that in world practice it is customary to evaluate the recommended communication range of optical systems for the weather conditions of the main cities of the leading countries of the world [3]. In any case, to decide on the use of an atmospheric laser communication channel, it is recommended to use the above estimates, taking into account specific weather conditions and system parameters.

Максимальная вероятность сбоя на расстоянии 2 км для г.Ижевска (худший район для функционирования системы) равна 1,4×10-3, а вероятность безотказной работы - 99,86%. Несложно подсчитать, что канал связи будет не доступен в течении одного года чуть более 12 часов.The maximum probability of failure at a distance of 2 km for Izhevsk (the worst area for the functioning of the system) is 1.4 × 10 -3 , and the probability of failure-free operation is 99.86%. It is easy to calculate that the communication channel will not be available within one year for just over 12 hours.

Рассмотрим вопрос о потенциальной точности предлагаемой системы, для этого оценим величину сечения лазерного луча на рабочей дистанции 1-2 км. При расходимости луча Θ и дальности L сечение луча определяется величинойConsider the potential accuracy of the proposed system, for this we evaluate the cross section of the laser beam at a working distance of 1-2 km. With the divergence of the beam Θ and the range L, the beam cross section is determined by

Δ=Θ·L=10-5·103=10-2 м.Δ = Θ · L = 10- 5 · 3 = 10 10 m -2.

Таким образом, на удалении 1 км сечение лазерного луча будет иметь величину 1 см, что и определяет порядок погрешностей измерения системы. Для сравнения микроволновые системы посадки (MLS), системы позиционирования GPS (ГЛОНАСС) в дифференциальном режиме имеют погрешности десятки сантиметров. Что позволяет сделать вывод о том, что предлагаемая система может оказаться вполне конкурентоспособной при решении задач локальной навигации.Thus, at a distance of 1 km, the cross section of the laser beam will have a value of 1 cm, which determines the order of measurement errors of the system. For comparison, microwave landing systems (MLS), GPS positioning systems (GLONASS) in differential mode have errors of tens of centimeters. This allows us to conclude that the proposed system can be quite competitive in solving problems of local navigation.

Источники информацииInformation sources

1. Патент US на изобретение N 4064424, кл. B64E 1/20, 1982 (аналог).1. US patent for the invention N 4064424, CL. B64E 1/20, 1982 (analog).

2. Патент РФ на изобретение №2083444, кл. G01S 5/08, 22.03.1994 (прототип).2. RF patent for the invention No. 2083444, class. G01S 5/08, 03/22/1994 (prototype).

3. Зеленюк, Ю.И. Влияние погодных условий на надежность атмосферной оптической связи [Текст] / Ю.И. Зеленюк, И.В. Огнев, С.Ю. Поляков, С.Е. Широбакин - Вестник связи, №4, 2002.3. Zelenyuk, Yu.I. The influence of weather conditions on the reliability of atmospheric optical communications [Text] / Yu.I. Zelenyuk, I.V. Ognev, S.Yu. Polyakov, S.E. Shirobakin - Communication Bulletin, No. 4, 2002.

Claims (1)

Способ определения местоположения и углов ориентации летательного аппарата относительно взлетно-посадочной полосы, основанный на формировании световых зон в окрестности посадочной траектории и визуальном восприятии летчиком излучения заданной длины волны, отличающийся тем, что регистрируют излучение, установленного в окрестности взлетно-посадочной полосы, лазерного маяка посредством трех разнесенных приемников излучения, выполненных в виде фоточувствительных датчиков, установленных на ЛА, лазерный маяк, обеспечивающий сканирование околоземного пространства узким лучом полупроводникового лазера, модулированным в зависимости от угла поворота α по азимуту и по высоте - β, развертка лазерного луча может выполняться построчным способом, при этом определяют координаты местоположения ЛА в горизонтальной системе координат OXYZ, ось ОХ которой параллельна оси взлетно-посадочной полосы, а также углы ориентации ЛА: углы рыскания, крена и тангажа, путем численного решения системы нелинейных алгебраических уравнений:
Figure 00000017

где α1, β1,, α2, β2,, α3, β3 - углы местоположения первого, второго и третьего фоточувствительных датчиков, снимаемые в виде цифрового кода с этих датчиков;
Bx, By, Bz - координаты расположения фоточувствительных датчиков в системе координат O(1)X(1)Y(1)Z(1)
γ, ψ, υ - углы крена, рыскания и тангажа ЛА соответственно;
X, Y, Z - координаты ЛА в системе координат OXYZ.
A method for determining the location and orientation angles of an aircraft relative to the runway, based on the formation of light zones in the vicinity of the landing path and the pilot's visual perception of radiation of a given wavelength, characterized in that the radiation detected in the vicinity of the runway, a laser beacon by three spaced radiation receivers, made in the form of photosensitive sensors mounted on an aircraft, a laser beacon providing scanning near-Earth space with a narrow beam of a semiconductor laser, modulated depending on the rotation angle α in azimuth and height - β, the laser beam can be scanned in a line-by-line manner, and the coordinates of the location of the aircraft in the horizontal coordinate system OXYZ, the axis OX of which is parallel to the take-off axis, are determined landing strip, as well as aircraft orientation angles: yaw, roll and pitch angles, by numerically solving a system of nonlinear algebraic equations:
Figure 00000017

where α 1 , β 1 ,, α 2 , β 2 ,, α 3 , β 3 are the location angles of the first, second, and third photosensitive sensors, taken as a digital code from these sensors;
B x , B y , B z - location coordinates of photosensitive sensors in the coordinate system O (1) X (1) Y (1) Z (1)
γ, ψ, υ - roll angles, yaw and pitch, respectively;
X, Y, Z - the coordinates of the aircraft in the coordinate system OXYZ.
RU2014101902/07A 2014-01-21 2014-01-21 Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway RU2548366C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014101902/07A RU2548366C1 (en) 2014-01-21 2014-01-21 Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014101902/07A RU2548366C1 (en) 2014-01-21 2014-01-21 Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2548366C1 true RU2548366C1 (en) 2015-04-20

Family

ID=53289280

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014101902/07A RU2548366C1 (en) 2014-01-21 2014-01-21 Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2548366C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111966953A (en) * 2020-08-07 2020-11-20 四川泛华航空仪表电器有限公司 Aircraft attitude angle calculation method based on coordinate transformation
WO2021087594A1 (en) * 2019-11-08 2021-05-14 Уавлас Сп. Зо.О. System and method for precision landing

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2083444C1 (en) * 1994-03-22 1997-07-10 Александр Витальевич Глотов Optical navigational device
RU2282869C1 (en) * 2004-12-27 2006-08-27 Владимир Петрович Панов System for determination of object spatial attitude
US7106421B2 (en) * 2003-04-04 2006-09-12 Omron Corporation Method of adjusting axial direction of monitoring apparatus
WO2006135916A1 (en) * 2005-06-13 2006-12-21 Aviation Communication & Surveillance Systems Llc Spacing control system and method for aircraft
EP1866888B1 (en) * 2005-04-06 2008-10-08 Honeywell International Inc. System for displaying validity of airport visual approach slope indicators
RU2347240C2 (en) * 2007-04-23 2009-02-20 Василий Иванович Конотоп Method of determination of situation and corners of orientation of flying machine concerning runway and device for its realisation

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2083444C1 (en) * 1994-03-22 1997-07-10 Александр Витальевич Глотов Optical navigational device
US7106421B2 (en) * 2003-04-04 2006-09-12 Omron Corporation Method of adjusting axial direction of monitoring apparatus
RU2282869C1 (en) * 2004-12-27 2006-08-27 Владимир Петрович Панов System for determination of object spatial attitude
EP1866888B1 (en) * 2005-04-06 2008-10-08 Honeywell International Inc. System for displaying validity of airport visual approach slope indicators
WO2006135916A1 (en) * 2005-06-13 2006-12-21 Aviation Communication & Surveillance Systems Llc Spacing control system and method for aircraft
RU2347240C2 (en) * 2007-04-23 2009-02-20 Василий Иванович Конотоп Method of determination of situation and corners of orientation of flying machine concerning runway and device for its realisation

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
RU 2378664 c1, 10.01.2010. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2021087594A1 (en) * 2019-11-08 2021-05-14 Уавлас Сп. Зо.О. System and method for precision landing
CN111966953A (en) * 2020-08-07 2020-11-20 四川泛华航空仪表电器有限公司 Aircraft attitude angle calculation method based on coordinate transformation

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9851724B2 (en) Automatic take-off and landing control device
US10061027B2 (en) Laser navigation system and method
US7683928B2 (en) Lidar with streak-tube imaging, including hazard detection in marine applications; related optics
CN107561547B (en) Method, device and system for measuring distance from power transmission line to target object
US20210055180A1 (en) Apparatuses and methods for gas flux measurements
US9435635B1 (en) System and methods of detecting an intruding object in a relative navigation system
CN109911237A (en) Based on ultraviolet light to the unmanned machine aided drop and guidance system and application of empty coded beacons
US20200279494A1 (en) Autonomous Aircraft Sensor-Based Positioning and Navigation System Using Markers
TWI579811B (en) Aircraft landing-guiding system and method
RU2548366C1 (en) Method of identification of location and angles of orientation of aircraft with respect to runway
CN116258982A (en) Unmanned aerial vehicle flight route monitoring and checking system
US4727374A (en) Aerial surveying system
RU2348981C1 (en) Method of independent formation of landing information for flying machine and system for its realisation (versions)
US9546954B2 (en) Atmosphere profiling systems
RU120077U1 (en) ON-BOARD RADIOTECHNICAL COMPLEX OF NAVIGATION AND LANDING OF MARINE BASING AIRCRAFT
RU2654455C1 (en) Method of the aircraft coordinate identification when landing on the aircraft carrier and the device for its implementation
Campbell et al. Light detection and ranging-based terrain navigation-a concept exploration
RU2214943C1 (en) Method of landing flying vehicle
RU2558412C1 (en) Multiposition system for aircraft landing
WO2016057171A1 (en) Atmosphere profiling systems
Боровицький et al. Local positioning systems for drones without usage of digital cameras
US4203665A (en) Aerial surveying method to determine ground contours
SE544502C2 (en) An airborne vehicle assisted landing system and method thereof
Compton et al. New Charting Technology in Australia: the Laser Airborne Depth Sounder
Ananenkov et al. Radio vision systems ensuring movement safety for ground, airborne and sea vehicles