система ориентации движущегося объекта относительно оси взлетно-посадочной полосы (впп)

Формула изобретения

1. Система ориентации движущегося объекта относительно оси взлетно-посадочной полосы (ВПП), содержащая первый лазерный излучатель видимого диапазона спектра с коллимированным лучом, направленным в сторону движущегося объекта и установленный в конце ВПП, отличающаяся тем, что первый лазерный излучатель установлен на оси ВПП, а вблизи первого лазерного излучателя дополнительно установлен второй лазерный излучатель видимого диапазона спектра с коллимированным лучом с углом наклона лазерного луча к плоскости ВПП меньшим угла траектории снижения ЛА при посадке, при этом лучи первого и второго лазерных излучателей разведены под небольшими (до 5°) равными углами симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ВПП.

2. Система ориентации по п.1, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью управления направлением лазерных лучей в пространстве.

3. Система ориентации по п.1, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения.

4. Система ориентации по п.1, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью изменения спектрального состава (цвета) излучения.

5. Система ориентации по п.2, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью амплитудной модуляции мощности излучения.

6. Система ориентации по п.2, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью изменения спектрального состава (цвета) излучения.

7. Система ориентации по п.3, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью изменения спектрального состава (цвета) излучения.

8. Система ориентации по п.5, отличающаяся тем, что лазерные излучатели выполнены с возможностью изменения спектрального состава (цвета) излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к светотехнике, в частности к светосигнальным системам, предназначенным для ориентации относительно оси ВПП в ночное время, в сумерках и сложных метеоусловиях пилотов летательных аппаратов (ЛА) при пробеге по взлетно-посадочной полосе до момента отрыва или при посадке. Кроме того, изобретение может быть использовано для ориентации относительно оси ВПП, дорожного полотна или оси фарватера водителей или лоцманов соответственно наземных или водных средств транспорта в ночное время, в сумерках и при ограниченной метеовидимости.

Известны светосигнальные системы, предназначенные для ориентации в ночное время, в сумерках и при ограниченной метеовидимости пилотов ЛА относительно оси ВПП при совершении взлета, посадки и движения ЛА по ВПП, удовлетворяющие требованиям I и II категорий метеоминимумов [1] (В.В.Жуков, Б.А.Вольперт, В.А.Воеводинский. Электрическое и световое оборудование аэропортов. - Москва: Транспорт, 1976. - 279 с.), в которых для сигнализации о расположении оси взлетно-посадочной полосы (ВПП) на аэродромах используют встроенные в поверхность ВПП осевые огни углубленного типа. Огни располагают вдоль оси ВПП с продольным интервалом между ними равным 15 м.

Недостатком светосигнальной системы [1] является большое количество сложных по конструкции огней углубленного типа (более ста шестидесяти штук), которые необходимо встроить в ВПП длиной до 2500 м по ее оси и к каждому подвести электропитание, а также высокое энергопотребление системы, дискретность получаемой информации, сложность ремонта и эксплуатации углубленных огней. Кроме того, к недостаткам известной светосигнальной системы [1] можно отнести большой объем работ и существенные финансовые затраты при установке (монтаже) углубленных огней на ВПП.

Известна осветительная система [2] (Патент РФ № 2093430 кл. B64F 1/20, E01F 9/04, 1991.), встраиваемая в полое пространство взлетно-посадочной полосы для обозначения оси ВПП, содержащая базовую плиту и излучающую вставку, расположенную в базовой плите, причем излучающая вставка размещена в отдельном корпусе и представляет модульную конструкцию с возможностью ее извлечения. N осветительных модулей, встроенных в поверхность ВПП, образуют систему осевых огней углубленного типа.

Недостатками системы огней углубленного типа для обозначения оси ВПП на основе осветительных модулей [2] являются конструктивная сложность системы, многоэлементность, высокое энергопотребление и информационная дискретность.

Наиболее близким техническим решением (прототип) для визуализации (обозначения) оси протяженной прямолинейной трассы (оси канала) [3] (Зуев В.Е., Фадеев В.Я. Лазерные навигационные системы. - М: Радио и связь, 1987. - 160 с.) является визуальная система ориентации, которая содержит лазерный излучатель видимого диапазона спектра с коллимированным лучом, проходящим над осью канала на высоте 30.5 метра в осевой вертикальной плоскости. Лазерный излучатель установлен в конце прямолинейного участка коридора проводки и его луч зрительно воспринимается в виде отрезка прямой линии (линейного ориентира). Ориентация выполняется визуально по отклонению от вертикали линейного ориентира при смещении судна относительно оси канала. При движении судна точно по оси канала лазерный луч имеет вид вертикального отрезка. При смещении судна линейный ориентир отклоняется от вертикали в сторону, противоположную смещению судна от оси канала. Этой сигнальной информации достаточно для принятия решения и выполнения корректирующего маневра, возвращающего судно на траекторию движения по оси канала.

Недостатком системы ориентации [3] (применительно к системе ориентации ЛА) относительно оси взлетно-посадочной полосы (ВПП) является высокая вероятность попадания прямого лазерного излучения в глаза пилота при пересечении летательным аппаратом лазерного луча в момент совершения взлета (посадки), которое может вызвать ослепление пилота и временную потерю ориентации, тем самым увеличивается опасность возникновения аварийной ситуации.

Целью предлагаемого изобретения являются конструктивные упрощения существующих систем ориентации пилотов ЛА относительно оси взлетно-посадочной полосы, минимизация материальных и временных затрат при развертывании на объектах различных категорий, снижение энергопотребления и обеспечение безопасности при взлете и посадке.

Поставленная цель достигается тем, что система ориентации движущегося объекта относительно оси взлетно-посадочной полосы содержит два лазерных излучателя видимого диапазона спектра с коллимированными лучами, расположенных в конце ВПП на ее оси, причем лучи обоих излучателей находятся в плоскости, проходящей под углом к плоскости ВПП. Лучи лазерных излучателей разведены под небольшими равными углами (до 5 градусов) симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ВПП. При движении объекта точно по оси ВПП лазерные лучи визуально воспринимаются в виде двух отрезков, исходящих из одной точки и симметрично расположенных относительно вертикали. При отклонении объекта от оси в процессе движения визуальная симметрия нарушается, что является информацией для принятия решения о выполнении корректирующего маневра, возвращающего объект на траекторию движения по оси ВПП. Указанная пространственная ориентация лазерных лучей позволяет оградить зрение пилота от прямого попадания лазерного излучения при посадке ЛА и движении по ВПП и в то же время обеспечить информацией о траектории движения ЛА относительно оси ВПП.

Изобретение отличается от известного ближайшего аналога [3], содержащего первый лазерный излучатель видимого диапазона спектра с коллимированным лучом, направленным в сторону движущегося объекта и установленный в конце ВПП, тем, что первый лазерный излучатель установлен на оси ВПП, а вблизи первого лазерного излучателя дополнительно установлен второй лазерный излучатель видимого диапазона спектра с коллимированным лучом с углом наклона лазерного луча к плоскости ВПП меньшим угла траектории снижения ЛА. Лазерные лучи первого и второго излучателей разведены под небольшими (до 5 градусов) равными углами симметрично относительно вертикальной плоскости, проходящей через ось ВПП. Кроме того, лазерные излучатели выполнены с возможностью управления направлением лазерных лучей в пространстве, возможностью амплитудной модуляции мощности излучения и возможностью изменения спектрального состава (цвета) излучения.

Сущность изобретения поясняется рисунками фиг.1, фиг.2 и фиг.3 (а, б, в). На рисунках фиг.1, фиг.2 приведена схема расположения лазерных излучателей относительно плоскости ВПП и направление лазерных лучей в пространстве. На рисунке фиг.3 (а, б, в) показаны проекции лазерных лучей на фронтальную плоскость, зрительно воспринимаемые пилотом при различных положениях ЛА относительно оси ВПП при пробеге по взлетно-посадочной полосе до момента отрыва или после касания ВПП в процессе посадки.

На рисунках фиг.1, фиг.2 и фиг.3 (а, б, в) приняты следующие обозначения: 1 - первый лазерный излучатель; 2 - второй лазерный излучатель; h - высота установки лазерных излучателей; 3 - луч первого излучателя; 4 - луч второго излучателя; 5 - плоскость ВПП; - угол наклона плоскости расположения лазерных лучей к плоскости ВПП; 6 - летательный аппарат; 7 - порог ВПП; _гл - угол глиссады снижения ЛА; 8 - геометрическая продольная ось ВПП; 9 - продольные границы ВПП; ₁, ₂ - углы лазерных лучей относительно осевой вертикальной плоскости. Кроме того, на рисунке фиг.3 (а, б, в) дополнительно имеются следующие обозначения: 10 - проекция на плоскость визирования первого (левого) лазерного луча, зрительно воспринимаемая пилотом ЛА; 11 - проекция на плоскость визирования второго (правого) лазерного луча, зрительно воспринимаемая пилотом ЛА; 12 - вертикаль, проходящая через точку установки лазерных излучателей; ₁ - угол между проекцией левого лазерного луча на фронтальную плоскость и вертикалью 12; ₂ - угол между проекцией правого луча на фронтальную плоскость и вертикалью 12.

Как видно из рисунков фиг.1, фиг.2, лазерные излучатели 1 и 2 установлены вблизи конца ВПП за ее пределами на высоте h (h не более 0.5 м). Лучи 3 и 4 лазерных излучателей 1 и 2 направлены под углом к плоскости ВПП 5 и разведены симметрично относительно осевой вертикальной плоскости на равные углы ₁ и ₂ ( ₁= ₂). Такое расположение лучей позволяет пилоту ЛА ночью, в сумерках и сложных метеоусловиях видеть проекции лазерных лучей на фронтальную плоскость в виде линейных ориентиров 10 и 11 (фиг.3 а, б, в), по которым пилот определяет положение ЛА относительно оси ВПП и в то же время ограждает зрение пилота от прямого

попадания лазерного излучения при посадке ЛА и движении по ВПП.

На рисунке фиг.3 (а, б, в) схематично показано три варианта зрительно воспринимаемых пилотом ЛА проекций лазерных лучей на плоскость визирования:

а - при смещении ЛА влево от оси ВПП;

б - при нахождении ЛА на оси ВПП;

в - при смещении ЛА вправо от оси ВПП.

Ориентация пилота ЛА при поперечном смещении ЛА относительно оси ВПП происходит путем визуального восприятия пилотом проекций левого и правого лазерных лучей на фронтальную плоскость и оценке изменения углов ₁ и ₂ относительно вертикали 12, проходящей через точку установки излучателей.

Смещение ЛА влево или вправо от оси ВПП приводит к изменению ориентации проекций лазерных лучей относительно вертикали 12. То есть при смещении ЛА влево (фиг.3а) угол ₁ между проекцией левого луча 3 и вертикалью 2 становится меньше угла ₂ между проекцией правого луча 4 и вертикалью ( ₁< ₂). При нахождении ЛА точно на оси ВПП (фиг.3.б) углы ₁ и ₂ равны между собой ( ₁= ₂), а при смещении ЛА вправо (фиг.3,в) угол ₁ будет больше угла ₂ ( ₁> ₂). Зрение человека чувствительно к угловым отклонениям линий в пространстве, поэтому пилот при движении ЛА по ВПП фиксирует в каждый момент времени изменения соотношений между углами ₁ и ₂, которые соответствуют отклонениям ЛА от оси ВПП. Это позволяет пилоту ЛА управлять направлением движения ЛА и поддерживать траекторию движения ЛА на оси ВПП.

Угол наклона плоскости расположения лазерных лучей к плоскости ВПП выбирается меньше угла траектории снижения ЛА с целью уменьшения вероятности попадания лазерного излучения в глаза пилота при совершении посадки.

Для оптимизации параметров системы посадки в зависимости от метеоусловий и категорий ВПП, лазерные излучатели выполнены с возможностью управления направлением лазерных лучей в пространстве и (или) возможностью амплитудной модуляции мощности излучения и (или) возможностью изменения спектрального состава (цвета) излучения. Управление оптическими и пространственными параметрами лучей по заранее заданному алгоритму с помощью функционально связанного контроллера и блока управления позволяет адаптировать видимость правого и левого лучей при изменении фона, метеоусловий, времени года, внешних засветок и т.п, а также передавать информацию об изменении алгоритма взлета/посадки в случае возникновения нештатной ситуации.

Возможность управления направлением лазерных лучей в пространстве позволяет для конкретных категорий ВПП и типов ЛА установить оптимальный угол наклона плоскости расположения лазерных лучей к плоскости ВПП (угол ) и оптимизировать величину углов разведения ( ₁ и ₂) лазерных лучей относительно осевой вертикальной плоскости с целью улучшения видимости лучей при изменении метеовидимости.

Возможность амплитудной модуляции мощности излучения позволяет улучшать видимость лучей при изменении погодных условий или освещенности путем увеличения мощности излучателей и (или) путем импульсной модуляции, параметры которой могут нести дополнительную информацию с указанием о необходимости изменения режима движения по ВПП по иному алгоритму.

Возможность изменения спектрального состава (цвета) излучения, например, в область более коротких длин волн позволяет улучшить видимость лучей в условиях особо высокой метеовидимости при малом количестве рассеивающих частиц в атмосфере, а изменения спектрального состава в область более длинных длин волн - в условиях плохой метеовидимости (высокой степени рассеивания оптического излучения). Технически такая возможность реализуется, к примеру, с помощью установки в одном излучателе двух полупроводниковых лазеров с различными длинами волн и их переключении при изменении метеовидимости.

Исходя из принципа работы предлагаемой системы ориентации движущегося объекта относительно оси взлетно-посадочной полосы, очевидно, что при совершении взлета или посадки лазерные лучи не пересекают траекторию движения ЛА, поэтому данная система безопасна для пилотов ЛА. То есть пилот при любых допустимых маневрах на ВПП и вблизи нее не попадает в прямое лазерное излучение. Лазерные лучи проходят выше кабины пилота и справа и слева при движении ЛА по ВПП. Рассеянное излучение, по которому ориентируется пилот, безопасно в пределах мощности используемых лазерных излучателей и времени их воздействия (Рассеянное излучение лазеров видимого спектра с мощностью излучения менее 0,5 Вт в соответствии ГОСТ Р 50723-94 п.6.1. безопасно для наблюдения в течение времени до 2 3-часов).

Практическая реализация предлагаемого технического решения подтверждена результатами макетирования системы, состоящей из двух лазерных полупроводниковых излучателей красного спектрального диапазона с длиной волны =635 нм коллимированного излучения с расходимостью 0,8 мрад и мощностью излучения каждого излучателя до 200 мВт. При испытании системы подтверждена видимость лучей в виде V-образного ориентира и высокая точность (менее 1 м/км) при ориентации при смещении транспортного средства (ТС) относительно оси ВПП на расстояниях до 2500 м от точки установки излучателей.

Источники информации

1. Жуков В.В., Вольперт Б.А., Воеводинский В.А. Электрическое и световое оборудование аэропортов. - Москва, Транспорт, 1976. - 279 с.

2. Патент РФ № 2093430 кл. B64F 1/20, E01F 9/04, 1991.

3. Зуев В.Е., Фадеев В.Я. Лазерные навигационные системы. - М: Радио и связь, 1987. - 160 с. (прототип).