УДК 725.392:681.7.015.4
ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ КООРДИНАТНО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ МОНОФОТОННЫХ УФ-С-ДАТЧИКОВ ДЛЯ НАВИГАЦИИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ В ЗОНЕ АЭРОДРОМА
А. А. Белов, А. Н. Виноградов, В. В. Егоров, О. И. Завалишин, А. П. Калинин, Н. А. Коровин, А. И. Родионов, И. Д. Родионов
Приведено описание навигационной системы захода воздушных судов на посадку, являющейся инструментом резервирования аэродромных систем. Система использует УФ-С спектральный диапазон и монофотонную технологию. Для определения местоположения воздушного судна относительно взлетно-посадочной полосы используются наземные и бортовые излучатели (маяки) и приемники УФ-С-диапазона.
Ключевые слова: посадка, воздушное судно, аэродром, взлетно-посадочная полоса, монофотонная технология, УФ-С-диапазон, детектор, маяк, времяимпульсная модуляция.
ВВЕДЕНИЕ
Последние десятилетия отмечены стремительным развитием методов спутниковой навигации и переходом от полетов по маршрутам, привязанным к маякам, к зональной навигации. Были разработаны вычислительные системы самолетовождения (ВСС) и соответствующие нормативы КЫР, РВ1Ч. Их идея — не привязывать полет к конкретным радионавигационным маякам, а дать борту выбор в использовании навигационных датчиков.
В настоящее время гражданская авиация вплотную приблизилась к реализации категори-рованной посадки с помощью функциональных дополнений к спутниковой навигации. При этом необходимость использования разнообразных измерителей навигационных данных обусловлена тем, что ни одно из применяемых средств не обеспечивает повышенных требований к всепогодной посадке. Поэтому появление новых средств измерения координат должно способствовать совершенствованию систем навигации.
Одним из перспективных подходов к созданию таких специализированных систем явля-
ется использование наземной и бортовой аппаратуры УФ-С-диа-пазона. Отметим, что УФ-С-диа-пазон обеспечивает высокую помехоустойчивость и возможность работы указанной аппаратуры в дневное время (солнечно-слепой режим), так как озоновый слой атмосферы практически полностью поглощает УФ-С-излучение Солнца. Кроме того, одним из главных преимуществ этого диапазона в сравнении с видимым, инфракрасным, и даже радиодиапазоном является слабое рассеяние ультрафиолета на аэрозольных частицах пыли, снега, града, водяных каплях тумана и дождя, и поэтому индикатриса рассеяния УФ-С-излучения на крупных в сравнении с длиной волны частицах имеет сильно вытянутую (вперед) форму [1].
Навигационная система посадки воздушных судов (ВС), построенная на базе аппаратуры УФ-С-диапазона, имеет и свои ограничения, в частности, по дальности максимального действия (до 20 км), что связано, с одной стороны, с ограниченностью мощности излучателей и с другой — чувствительностью приемников УФ-С-излучения. Потому предлагаемая система
предназначена для решения задач приаэродромной навигации совместно с другими существующими системами посадки. Ее автономное применение становится особенно актуальным в случае их отказа. Кроме того, с ее помощью может быть сформирован независимый (не зависящий от синхронизации по спутникам) канал связи с воздушным судном для передачи на его борт служебной информации.
Целью настоящей статьи является описание структуры и принципов функционирования перспективной навигационной системы захода ВС на посадку, работающей в УФ-С-диапазоне совместно с системой ILS, а также глобальными навигационными спутниковыми системами. При определенных условиях можно рассматривать вопрос о ее автономном использовании.
СУЩЕСТВУЮЩИЕ СИСТЕМЫ ПОСАДКИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ И МЕСТО ПРЕДЛАГАЕМОЙ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ УФ-С-ДИАПАЗОНА
В гражданской авиации России применяются следующие средства посадки: радиотехническая курсо-глиссадная система (КГС), светосигнальная сис-
тема аэродрома и глобальные системы (ГЛОНАСС, GPS) с использованием функциональных дополнений типа GBAS (ЛККС [2]) в соответствии со стандартами ИКАО (2006 г.) [3].
Функцией КГС является формирование сигнала отклонения ВС от заданной линии захода на посадку. Она не имеет функции определения координат в зонах, удаленных от указанной линии. Светосигнальная система не обладает достаточной информативностью и играет вспомогательную роль при визуальном завершении посадки. Глобальные спутниковые системы — наиболее перспективны. Они не требуют столь сложного наземного оборудования, как курсо-глиссадные, обеспечивают движение ВС в зоне аэродрома и в перспективе рассчитаны на обеспечение всепогодной посадки. Однако в случае отказа от курсо-глиссадных маяков ILS спутниковые системы становятся уязвимыми, что вызывается аномалиями в ионосфере, естественными и искусственными радиопомехами. Кроме того, вследствие глобальности спутниковые системы могут оказаться связанными с политическими рисками.
В этом смысле возможность применения новых методов измерения представляется привлекательной. Такой системой могла бы стать описываемая ниже навигационная система УФ-С-диапазона, основанная на монофотонной технологии, использующей регистрацию отдельных фотонов [4]. Принцип действия системы основан на регистрации отдельных фотонов с помощью прибора, имеющего в своем составе время-координатно-чувствительный детектор. Это позволяет определять углы прихода регистрируемых фотонов.
СТРУКТУРА И ПРИНЦИПЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ НАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ
Варианты построения навигационной системы
Предлагаются два варианта реализации навигационной системы обеспечения захода на посадку воздушных судов на основе УФ-С монофотонной технологии.
В первом варианте построения системы используется следующая схема. На земле вблизи взлетно-посадочной полосы (ВПП) размещаются маяки — излучатели, работающие в диапазоне ультрафиолетового излучения 250...280 нм (УФ-С-диа-пазон), а на воздушном судне установлен приемник ультрафиолетового излучения, работающий в том же УФ-С-диапазоне. Координаты установленных на земле маяков точно известны и передаются на борт судна посредством модуляции излучения, так же, как и коды маяков, определяющих их местоположение относительно взлетно-посадочной полосы.
По принятому излучению маяков на борту ВС определяют углы, под которыми они видны, отсчитываемые относительно оптической оси объектива приемника, что позволяет при известных координатах маяков определить положение воздушного судна относительно ВПП и
тем самым способствовать обеспечению посадки летательного аппарата. Система должна иметь не менее трех маяков. Большее число маяков обеспечивает увеличение точности определения координат ВС и надежность работы системы.
Построение первого варианта системы поясняется рис. 1.
Изменение ориентации оптической оси объектива приемника при угловых вариациях самолета влияет на конечный результат, т. е. на точность определения углов места и азимута источника, однако эти динамические ошибки могут быть минимизированы до требуемых величин учетом пространственных вариаций ВС посредством сглаживания мгновенных оценок с привлечением данных инерци-ального датчика (цифровой гироскоп) и алгоритма фильтрации Калмана.
Необходимое быстродействие системы обеспечивает ее связь с инерциальным датчиком типа "цифровой гироскоп". Такого рода датчики эффективно измеряют относительные маневры ВС (изменение курса, ускорения и т. п.) на интервале в несколько секунд, но не являются навигационным средством сами по себе, поскольку получить из относительных маневров абсолютное положение ВС невозможно. Сильной стороной рас-
Рис. 1. Схема расположения излучателей-маяков и приемного устройства в соответствии с первым вариантом построения навигационной системы:
1, 2, 3 — наземные излучатели-маяки; 4 — воздушное судно; 5 — бортовое оптическое устройство (БОП) УФ-С-диапазона
38
Sensors & Systems • № 1.2014
1
о*-... 3
1 ВПП ш "-А
5 0 4
2 6
О'"
Рис. 2. Схема расположения наземных приемников УФ-С-излучения 1, 2 и бортового маяка 3 в соответствии со вторым вариантом построения навигационной системы; 4 — воздушное судно; 5 — наземный излучатель канала связи; 6 — бортовой приемник канала связи
сматриваемой оптической системы является именно способность точного измерения положений ВС.
В результате взаимодействия оптической и инерциальной систем цифровой гироскоп позволяет даже при резких маневрах накапливать статистику фотонов до секунды и даже более, вычитая из их угловых координат известные (измеренные инерци-альным датчиком) маневры ВС и, таким образом, собирая их в стационарный, статистически однородный временной ряд, как если бы источники были неподвижны в поле зрения приемника излучения.
В итоге, рассматриваемая система выдает точные координаты, не содержащие ошибки интегрирования, позволяя сбрасывать накопившиеся ошибки цифрового гироскопа. Итак, результатом этой процедуры является смешивание точных, но редких (0,5...4 Гц) показаний оптической системы и оперативных показаний цифрового гироскопа, для которого периодически осуществляется привязка к нулю по данным оптической системы.
Во втором варианте построения системы используются, по крайней мере, два наземных приемника УФ-С-излучения, расположенных по обе стороны взлетно-посадочной полосы, и оптический излучатель-маяк, расположенный на борту судна и работающий в том же ультрафиолетовом диапазоне. Координаты приемных устройств точно известны. Сигналы бортового маяка, регистрируемые приемниками, используются для определения углов места и азимута ВС, под которыми виден маяк воздушного судна, с последующим вычислением его положения (координат) относительно ВПП. Эти координаты переда-
ются на борт судна по УФ-С-ка-налу связи (наземный излучатель—бортовой приемник), что позволяет вывести ВС на заданную линию захода. Поскольку система должна иметь возможность обслуживания одновременно нескольких самолетов, в излучении должна содержаться информация об идентификации борта.
Второй вариант построения системы поясняется рис. 2.
Бортовой маяк по своим характеристикам и возможностям полностью аналогичен маякам, используемым в первом варианте построения навигационной системы. Наземные приемники аналогичны бортовому приемнику только в ч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.