Бортовой грозопеленгатор-дальномер

 

Изобретение относится к области электронного метеорологического оборудования летательных аппаратов. Техническим результатом является то, что бортовой грозопеленгатор-дальномер позволяет обеспечить обнаружение четырех ступеней ухудшения грозовой обстановки и формирование сигналов, в соответствии с которыми осуществляют соответствующие изменения изображения на экране индикатора, повышая его информативность и наглядность, что упростит пилоту выбор наиболее экономичного и безопасного маршрута следования в условиях ухудшающейся грозовой обстановки, оставляя за ним право выбора маршрута с учетом иных привходящих факторов, сопутствующих полету. Это достигается тем, что в бортовой грозопеленгатор-дальномер дополнительно вводится устройство обнаружения и формирования индицируемых турбулентно-грозовых и грозовых зон и фронтов. 5 ил.

Изобретение - бортовой грозопеленгатор-дальномер (БГПД) предназначен для информационного обеспечения безопасного и экономичного полета летательного аппарата (самолета, вертолета) в условиях грозовой активности в атмосфере.

Предлагаемое устройство относится к области электронного метеорологического оборудования летательных аппаратов (ЛА). Может также использоваться для обнаружения и локации гроз и штормового оповещения в аэродромных службах, на нефтеналивных судах, в карьерах открытых разработок с использованием электродетонаторов при взрывных работах, в службах грозового оповещения различных ведомств и т.п.

БГПД представляет собой пассивную компактную РЛС в диапазоне волн γ=5-600 км, предназначенную для обнаружения, определения координат центров гроз (пеленг, дальность) и их интенсивности [1].

Грозопеленгаторы-дальномеры называют иногда грозолокаторами, а в США Stormscop (штормскопами).

Известны свыше 10 типов БГПД, разработанных в США фирмами Dytronics, 3М, Sperry, Honeywell, Insight Avionics [2], [3]. Известны также отечественные наземные грозопеленгаторы-дальномеры (ГПД), например [4].

Недостатком всех известных БГПД (ГПД) является то, что они не определяют и, следовательно, не индицируют границы молниеопасных грозовых зон и зон окологрозовой турбелентности, что затрудняет пилоту ЛА выбор экономичного и безопасного маршрута обхода как изолированных (локальных) гроз, так и фронтальных гроз и прохода через грозовые фронты, простирающиеся часто до 500 км. Указанный недостаток существующих БГПД определяется тем, что уже обнаруженные с помощью БГПД молниевые разряды занимают в совокупности площадь, которая всегда меньше общей площади, в пределах которой могут произойти новые разряды, причем местоположение и время новых молниевых разрядов случайно, непредсказуемо, а турбулентность БГПД обнаружить вообще не может.

В прототипе-способе формирования сигналов грозовой опасности [5] предлагается формировать границу турбулентно-грозовой зоны по априорным статистическим метеорологическим данным о протяженности грозовых очагов (математическое ожидание m и дисперсия G²) и о ширине окологрозовой зоны турбулентности Δ, а границу турбулентно-грозового фронта (ТГФ) формировать как совокупность турбулентно-грозовых зон с пересекающимися границами.

Однако в прототипе не обеспечиваются автоматическое обнаружение турбулентно-грозового фронта и еще более опасного грозового (молниевого) фронта, формирование привлекающего внимание пилота отображения обнаруженных фронтов на экране индикатора, не предлагаются соответствующие устройства.

Задачей предлагаемого устройства является обеспечение автоматического обнаружения ухудшения грозовой обстановки с формированием соответствующих сигналов и привлекающей внимание пилота ЛА индикации на экране индикатора каждого этапа ухудшения грозовой обстановки, повышение информативности и наглядности индикации для упрощения и облегчения выбора пилотом ЛА наиболее экономичного и безопасного маршрута следования. При этом за пилотом остается право выбора маршрута с учетом иных привходящих факторов, сопутствующих полету.

Решение поставленной задачи достигается тем, что при обнаружении первой грозы осуществляют включение на экране индикатора координатной сетки (дальность-пеленг) и изображения рассчитанной границы турбулентно-грозовой зоны (ТГЗ) вокруг измеренных координат центра грозы, обозначаемого символом (знаком) интенсивности грозы. Интенсивность грозы - количество молниевых вспышек за последние "n" минут, позволяющее условно рассматривать грозу как слабую, умеренную, сильную [7] . При регистрации каждой последующей новой грозы, помимо индикации соответствующей ей границы ТГЗ и символа интенсивности в центре грозы, включают привлекающую внимание пилота сигнализацию ухудшения грозовой обстановки (сирена, мигание в течение нескольких секунд изображения на экране индикатора и т.п.). Вводят в БГПД обнаружитель турбулентно-грозового фронта и при обнаружении ТГФ внутри всех зарегистрированных ТГЗ высвечивают границы грозовых зон (ГЗ), которые рассчитывают одновременно с расчетом границ ТГЗ. Вводят в схему БГПД обнаружитель грозового фронта и, если произойдет обнаружение грозового фронта (ГФ), все индицируемые грозовые зоны окрашивают (или заштриховывают) по сигналу обнаружителя ГФ.

На фиг.1 изображена схема бортового грозопеленгатора-дальномера (БГПД), на фиг.2 - геометрическая схема формирования признака турбулентно-грозового фронта (ТГФ) или грозового фронта (ГФ), на фиг.3 - возможный вид экрана индикатора БГПД при обнаруженных изолированных грозах, на фиг.4 - возможный вид экрана индикатора БГПД при обнаруженном турбулентно-грозовом фронте (ТГФ), на фиг. 5 - возможный вид экрана индикатора БГПД при обнаружении грозового фронта (ГФ).

Из представленной на фиг.1 схемы БГПД видно, что выход антенной системы (1) соединен с входом частотно-избирательной схемы (2), первый и второй выходы которой соединены с входами соответственно дальномера (3) и пеленгатора (4), выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами вычислителя интенсивности и координат центра грозы (5), к выходу которого подсоединена последовательно соединенная цепочка из схем ОЗУ матрицы параметров гроз (6), формирователя файла индикации (7) и индикатора (8), причем выход вычислителя интенсивности и координат центра грозы (5) соединен с входами формирователя границ грозовых и турбулентно-грозовых зон (9) и регистратора обнаружения новой грозы (10), выход которого соединен с последовательной цепочкой из обнаружителя турбулентно-грозового фронта (11), обнаружителя грозового (молниевого) фронта (12) и формирователя файла индикации (7) (по третьему входу), выход формирователя границ грозовых и турбулентно-грозовых зон (9) соединен с вторым входом ОЗУ матрицы параметров гроз (6), выход регистратора обнаружения новой грозы (10) соединен с вторым входом формирователя файла индикации (7), выход обнаружителя турбулентно-грозового фронта (11) соединен с третьим входом ОЗУ матрицы параметров гроз (6), второй выход которого соединен со вторыми входами обнаружителя турбулентно-грозового фронта (11) и обнаружителя грозового фронта (12).

Заявленное устройство работает следующим образом.

Электромагнитное поле, создаваемое молниевым разрядом, воспринимается активной антенной системой (1), состоящей из ненаправленной электрической и двух направленных магнитных антенн, развернутых на угол π/2 одна относительно другой. Принятые сигналы обрабатывают частотно-избирательными схемами (2), после чего из сигнала извлекают информацию о дальности (с помощью дальномера (3)) и пеленга (с помощью пеленгатора (4)) молниевых разрядов и молниевых вспышек. По измеренным и запомненным на время Δt дальности и пеленгу молниевых вспышек вычисляют (с помощью вычислителя (5)) интенсивность и координаты центра грозы, запоминают вычисленные параметры гроз в оперативном запоминающем устройстве (ОЗУ) матрицы параметров гроз (6), по запомненным координатам упаковывают информацию в формирователе файла индикации (7) и передают в индикатор (8). С выхода вычислителя интенсивности и координат центра грозы (5) координаты центра грозы передаются в формирователь границ грозовых и турбулентно-грозовых зон (9), где рассчитывают границы грозовой и турбулентно-грозовой зон вокруг центра грозы. Ядром формы границы грозовой зоны является окружность, диаметр которой равен линейной протяженности грозового очага, априори известной с определенной вероятностью. Учтем близкое к нормальному распределение протяженностей грозовых очагов и то, что модальное и медианное значения распределения совпадают с математическим ожиданием (m), соответствующим наиболее вероятному значению диаметра грозового очага (грозы). Для расчета границы можно взять и другой уровень вероятности, которому будет соответствовать другое значение протяженности грозового очага, т. е. его диаметр. Так как координаты центра грозы определяются с погрешностью σ, радиус грозового очага (грозовой, молниевой зоны) r₂ увеличивают на значение этой погрешности с учетом ее зависимости в некоторых типах БГПД от дальности (R) и пеленга (Θ), т.е.: Среднестатистическая ширина окологрозовой зоны турбулентности Δ, также априори известная, одинакова для всех направлений, отсчитываемых от центра грозы, поэтому радиус границы турбулентно-грозовой зоны определяют по формуле (2) В формирователе границ грозовых и турбулентно-грозовых зон вычисляют границы грозовой зоны по формуле (1), а границы турбулентно-грозовых зон - по формуле (2).

Регистратор обнаружения новой грозы (10) при появлении на входе ОЗУ матрицы параметров гроз (6) сигнала об обнаружении новой грозы выбрасывает предупреждающий сигнал ухудшения грозовой обстановки, который подают в формирователь файла индикации (7) для обеспечения привлечения внимания пилота, например, включением сирены или миганием экрана индикатора на некоторое время. Помимо этого, регистратор обнаружения новой грозы включает обнаружитель турбулентно-грозового фронта (11), который остается включенным до окончания всех гроз. В качестве признака турбулентно-грозового фронта (ТГФ) принято условие пересечения границ хотя бы двух турбулентно-грозовых зон (ТГЗ). Для обнаружения выполнения этого условия осуществляют поочередную оценку расстояния между центром новой грозы и центрами ранее зарегистрированных гроз, координаты которых вместе со значениями радиусов границ турбулентно-грозовых зон поступают на второй вход обнаружителя (ТГФ) (11) из ОЗУ матрицы параметров гроз (6). После этого полученную оценку проверяют на соответствие условию существования турбулентно-грозового фронта, признаком которого является то, что расстояние между центрами двух турбулентно-грозовых зон меньше суммы их радиусов (r₁+r₂) (условие пересечения) - см. фиг.2. Формула (3) представляет собой решение косоугольного треугольника АВС, дающее величину стороны ВС по противолежащему углу ΔΘ, являющемуся модулем разности пеленгов центров гроз (ΔΘ = |Θ₁-Θ₂|), и двум другим сторонам, являющимся значениями дальностей до центров гроз (AB=R₁, AC=R₂). По теореме косинусов [5] имеем: да - обнаружен турбулентно-грозовой фронт ВС < r₁ + r₂; нет - турбулентно-грозового фронта нет.

При обнаружении турбулентно-грозового фронта (ТГФ) из обнаружителя ТГФ (11) в ОЗУ матрицы параметров гроз (6) выдается сигнал (команда), по которому в список информации, выдаваемой в формирователь файла индикации, включаются радиусы границ всех грозовых (молниевых) зон (ГЗ), и эта команда выполняется до окончания всех гроз.

Сигнал (команда) обнаружения ТГФ выдается из обнаружителя ТГФ (11) также в обнаружитель грозового (молниевого) фронта (ГФ) (12), второй вход которого соединен с выходом 2 ОЗУ матрицы параметров гроз (6), благодаря чему в обнаружитель ГФ (12) поступают координаты центров гроз и радиусы границ грозовых зон. Обнаружитель грозового (молниевого) фронта (12) по формулам (3), (4) осуществляет проверку на пересечение границ грозовых (молниевых) зон аналогично тому, как это делается в обнаружителе ТГФ (11), используя в качестве радиусов r₁ и r₂ радиусы соответствующих грозовых (молниевых) зон. При обнаружении грозового (молниевого) фронта обнаружитель грозового (молниевого) фронта выдает в формирователь файла индикации (7) сигнал (команду) на включение в файл команды в индикатор "окрасить" (залить или заштриховать) площади всех грозовых (молниевых) зон. Эта команда действует до окончания всех гроз.

В связи с тем, что грозы подвижны, с течением времени локальные, изолированные грозы могут сформировать грозовой фронт. В то же время изображение грозовой обстановки на экране индикатора инерционно, так как в его формировании участвуют все молниевые разряды (вспышки), зарегистрированные в течение последних Δt секунд и координаты которых запоминаются на это время. Следовательно, нужно с темпом один-два раза за время Δt секунд осуществить в обнаружителе турбулентно-грозового фронта (11) проверку всех зарегистрированных гроз на формирование хотя бы двумя из них турбулентно-грозового фронта. Количество обрабатываемых индицируемых гроз в БГПД ограничено общим количеством N. Тогда количество проверяемых пар гроз (n) определяется числом сочетаний из N по 2 по формуле [5]: Например, для N=8 n=28 nap.

Так как время запоминания параметров молниевых разрядов (молниевых вспышек) обычно составляет сотни секунд, одна-две проверки за это время такого количества пар гроз (и даже при большем их числе) каких-либо трудностей с точки зрения быстродействия процессора не представляют, учитывая простоту формул (3) и (4).

Таким образом, обнаружение и индикацию ухудшения грозовой обстановки осуществляют в 4 этапа:
- обнаружение первой грозы, сопровождающееся включением азимутально-дальностной сетки на экране индикатора и появлением линии границы турбулентно-грозовой зоны с изображением внутри зоны центра грозы в форме символа молнии со стрелками интенсивности (стрелки с обоих концов - гроза сильная, с одного конца - умеренная, без стрелок - слабая).

- обнаружение каждой новой грозы, сопровождающееся выдачей предупредительного сигнала ухудшения грозовой обстановки (в форме сирены или мигания экрана индикатора в течение нескольких секунд),
- обнаружение турбулентно-грозового фронта, сопровождающееся формированием на экране индикатора внутри каждой турбулентно-грозовой зоны границы грозовой (молниевой) зоны (желательно более яркой по цвету, чем все остальные изображения на экране),
- обнаружение грозового (молниевого) фронта, сопровождающееся сплошным закрашиванием ("заливкой" или штриховкой) площади всех грозовых (молниевых) зон.

На фигурах 3, 4, 5 приведены возможные виды экрана индикатора при обнаружении гроз, турбулентно-грозового фронта и грозового (молниевого) фронта соответственно. Изображенные на рисунках возможные маршруты обхода фронтов или прохода через них в БГПД не рассчитываются и на экране индикатора не высвечиваются, чтобы не мешать пилоту самому выбрать маршрут следования ЛА с учетом многих других привходящих факторов, обычно сопутствующих полету в сложных метеоусловиях.

Для выполнения заявляемого устройства могут быть использованы как аналоговые, так и цифровые элементы и схемы отечественного и зарубежного изготовления, имеющиеся в продаже и применяемые в аналогах БГПД. Граница перехода от аналоговой к цифровой технике определяется чувствительностью (ценой младшего разряда) используемого сопрягающего устройства (аналого-цифрового преобразователя).

Использование предлагаемого устройства на борту самолетов магистрального типа, снабженных метеорологической РЛС (МРЛС), позволит повысить достоверность, надежность обнаружения гроз, безопасность, экономичность, сохранение определенной комфортности полета при обходе изолированных гроз и обходе или проходе через грозовые фронты. Использование предлагаемого устройства на борту самолета малой авиации или вертолета может оказаться единственным способом избежать угрозу аварии или возврата на аэродром вылета или на запасной аэродром (с неизбежными в таких случаях материальными потерями) в случае попадания в сложную грозовую обстановку.

Литература
1. LSS-Lightning Sensor Sistem. Honeywell Inc. Aircraft Electronics Association, 1989.

2. Журнал Airview, 1986, 1. Издание фирмы ЗМ, с.2-11.

3. Storm Mapping Sistem (система картографирования штормообразований). Commuter Air, 1986, том 8, 12, с.44.

4. Грозопеленгатор-дальномер "Очаг-2П". Л.: Гидрометеоиздат, 1988.

5. Макуренков А.Ф., Гуськов Ю.Н. Способ формирования сигналов грозовой опасности. Патент РФ 2100824 от 27.12.97 г., Бюл. 36.

6. И. Н. Бронштейн и К.А. Семендяев. Справочник по математике. М.: Гос. изд. физ. мат. литературы, 1962.

7. И.И. Кононов и др. Радиотехнические методы местоопределения грозовых очагов. Л.: Гидрометеоиздат, 1986, стр.8-9, 11.

Формула изобретения

Бортовой грозопеленгатор-дальномер, состоящий из последовательно соединенных антенной системы, частотно-избирательной схемы, дальномера и пеленгатора, входы которых соединены с соответствующими выходами частотно-избирательной схемы, а выходы с соответствующими входами вычислителя интенсивности и координат центров гроз, выход которого соединен с входом последовательно соединенных оперативного запоминающего устройства матрицы параметров гроз, формирователя файла индикации и индикатора, отличающийся тем, что в него введено устройство обнаружения и формирования индицируемых грозовых и турбулентно-грозовых зон и фронтов, состоящее из формирователя границ грозовых и турбулентно-грозовых зон и регистратора обнаружения новой грозы, входы которых соединены с выходом вычислителя интенсивности и координат центра гроз, выход формирователя границ грозовых и турбулентно-грозовых зон соединен с вторым входом оперативного запоминающего устройства матрицы параметров гроз, выход регистратора обнаружения новой грозы соединен с цепочкой последовательно соединенных обнаружителя турбулентно-грозового фронта, обнаружителя грозового фронта и формирователя файла индикации, выход регистратора обнаружения новой грозы соединен с вторым входом формирователя файла индикации, выход обнаружителя турбулентно-грозового фронта соединен с третьим входом оперативного запоминающего устройства матрицы параметров гроз, второй выход которого соединен с вторыми входами обнаружителя турбулентно-грозового фронта и обнаружителя грозового фронта.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5