Система для определения пространственного положения объекта
Изобретение относится преимущественно к радиопеленгации, а именно к системам, обеспечивающим определение 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. Для этого система содержит функционально связанные передающее устройство маяка, бортовую приемную систему (БПС) электромагнитных сигналов (ЭМС), определители дальности, азимута, угла места. Антенна БПС выполнена в виде тела из прозрачного для ЭМС материала с большой относительной диэлектрической проницаемостью ε и размещенным в материале приемным элементом, соединенным с блоком определения относительного изменения уровня принятого излучения при изменении положения объекта. 8 з.п. ф-лы, 12 ил.
Изобретение относится к пеленгации с использованием электромагнитного излучения, в том числе радиопеленгации, а именно к системам, обеспечивающим определение пространственного местоположения объекта, например летательного аппарата (ЛА), и азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк.
Изобретение может быть применено в системах 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, 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 др., то есть усовершенствования, 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 высокоточные лазерные устройства, использующие слаборасходящиеся пучки излучения с малым диаметром, 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 этой системе 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 этой системы является существенная зависимость ее дальности действия от погодных условий.
В настоящее время применяют три типа систем определения пространственного положения объекта, например ЛА: упрощенную, радиомаячную и радиолокационную [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 упрощенной системы включает радиопеленгатор, две приводные аэродромные радиостанции, два или три маркерных радиомаяка (РМ), связные командно-стартовые радиостанции и светотехническое оборудование. В составе бортового оборудования используются 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 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 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 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 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 изобретении [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 заявляемой системе эта проблема решена простыми средствами.
По критерию минимальной достаточности за прототип принимается система для определения пространственного положения объекта, в том числе движущегося, например летательного аппарата, с использованием соответствующих маяков и электромагнитных каналов их связи с бортовым оборудованием объекта, содержащая функционально связанные передающую систему маяка, снабженную средством формирования электромагнитных сигналов, бортовую приемную систему электромагнитных сигналов, бортовой блок, включающий, в том числе, функционально связанные определитель дальности положения объекта, определитель азимута и определитель угла места, соответственно, соединенные с бортовыми датчиками, формирующими, в том числе, данные о скорости и траектории движения объекта, и, при необходимости, блок передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения в индикаторе и выработки электрических сигналов в другое оборудование, например в блок выработки сигналов управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта [10. Авиационная радионавигация. Справочник под ред. А.А.Сосновского. М.: Транспорт, 1990, стр.151].
Радиопеленгационная система по прототипу, хотя и достаточно совершенная на сегодня, не является оптимальной, т.к. точность ориентации ниже, чем в соответствующей лазерной. Система обладает все еще недостаточными возможностями, например, для обеспечения безопасности полетов (БП), система достаточно сложная, использует несколько РМ, что усложняет эксплуатацию, 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, на повышение БП, упрощение 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 в бортовой приемной системе антенна выполнена и ориентирована 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.
Предложенная система для определения пространственного положения объекта, в том числе движущегося, например ЛА, с заданными в правой системе координат его продольной осью ОХ, нормальной осью OY, поперечной осью OZ с направлениями, соответственно, вперед, вверх и вправо с использованием соответствующих маяков и электромагнитных каналов их связи с бортовым оборудованием объекта имеет существенные признаки прототипа, а именно содержит функционально связанные передающую систему маяка, снабженную средством формирования электромагнитных сигналов, бортовую приемную систему электромагнитных сигналов и бортовой блок, включающий, в том числе, функционально связанные определитель дальности положения объекта, определитель азимута и определитель угла места, соответственно, соединенные с бортовыми датчиками, формирующими, в том числе, данные о скорости и траектории движения объекта, и, при необходимости, блок передачи азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуальной индикации и выработки электрических сигналов в другое оборудование, например в блок выработки сигналов управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта.
Другими существенными, отличительными от прототипа, признаками являются следующие:
для определения азимутального направления на соответствующий маяк передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоско поляризованного в горизонтальной плоскости электромагнитного излучения, преимущественно от 300 М Гц и выше, при этом бортовая приемная система содержит антенну, выполненную преимущественно в виде тела, например, прямого параллелепипеда или прямого цилиндра со взаимно перпендикулярными продольной ОХ1, нормальной ОY1 и поперечной OZ1 осями симметрии и лицевым и тыльным основаниями, причем ось OY1 направлена от тыльного к лицевому основанию, обращенному к оси ОХ объекта, 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 ε1, с размещенным в материале антенны приемным элементом упомянутого излучения, например, для маяков радиочастотного диапазона - несимметричным электрическим вибратором с противовесом на тыльном основании тела антенны, соединенными радиокабелем с приемным устройством, включающим, в том числе, блок селекции принимаемого от маяка электромагнитного излучения, например, по его модуляции, и блок определения относительного изменения уровня принятого излучения при изменении положения объекта в горизонтальной плоскости, при этом антенна выполнена с возможностью ее крепления в заданном положении на объекте 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, а упомянутый блок определения относительного изменения уровня принятого излучения соединен функционально с определителем азимута положения объекта, при этом для определения угломестного направления на соответствующий маяк передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоско поляризованного в вертикальной плоскости электромагнитного излучения, при этом антенна выполнена аналогично упомянутой, но с относительной диэлектрической проницаемостью ε2 и с возможностью ее крепления в заданном положении на объекте 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 ОХ1 установочный угол α2, а аналогичный упомянутому блок определения относительного изменения уровня принятого излучения при изменении положения объекта, соответственно, в вертикальной плоскости соединен функционально с определителем угла места положения объекта.
Также относительные диэлектрические проницаемости материалов антенн ε1 и ε2 равны и, соответственно, равны установочные углы α1 и α2.
Кроме того, относительные диэлектрические проницаемости материалов антенн ε1 и ε2 не равны и, соответственно, не равны установочные углы α1 и α2.
Также для определения одновременно азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоско поляризованных в горизонтальной и вертикальной плоскостях неодинаково модулированных электромагнитных излучений.
Кроме того, передающая система соответствующего маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема электромагнитных излучений с одинаковыми частотами.
Возможен вариант, в котором передающая система соответствующего маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема электромагнитных излучений с неодинаковыми частотами.
Кроме того, лицевое основание выполнено в виде прямоугольника, большая сторона которого ориентирована в направлении продольной оси симметрии ОХ1 антенны.
Возможно выполнение лицевого основания антенны в виде эллипса, большая ось которого ориентирована в направлении продольной оси симметрии ОХ1 антенны.
Также антенна снабжена боковыми и тыльным экранами, непрозрачными для электромагнитного излучения.
Кроме того, на лицевое основание антенны нанесен защитный слой, прозрачный для электромагнитного излучения посадочного маяка.
Также передний и задний торцы антенны выполнены аэродинамически обтекаемыми.
Кроме того, перед лицевым основанием антенны установлен и закреплен с зазором параллельно оси ОХ объекта экран, не пропускающий электромагнитное излучение.
При этом, по крайней мере со стороны, обращенной к антенне, экран выполнен поглощающим электромагнитное излучение.
Также экран выполнен с возможностью его продольного перемещения, в том числе для устранения попадания на антенну отраженного от поверхности объекта электромагнитного излучения соответствующего маяка.
Система может содержать дополнительно по крайней мере еще один соответствующий маяк, установленный в заданном месте, например для осуществления движения объекта над поверхностью Земли в заданной вертикальной плоскости с заданным азимутальным направлением основной и дополнительный маяки устанавливаются на расстоянии L друг от друга на линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью.
Кроме того, передающая система дополнительного маяка выполнена с обеспечением передачи электромагнитного излучения с поляризацией, одинаковой с поляризацией электромагнитного излучения основного маяка для определения азимутального направления, при этом частоты и модуляции электромагнитных излучений передающих систем дополнительного и основного маяков не обязательно одинаковые.
Предлагаемая система благодаря отличительному от прототипа построению 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 чертежи, схематично иллюстрирующими заявленную систему и ее работу.
На фиг.1 показана система по прототипу, на фиг.2 - заявляемая система, на фиг.3 - схемы расположения азимутальной (а) и угломестной (б) антенн, на фиг.4 показаны два положения азимутальной антенны (а - вид на объект в направлении движения объекта, б - вид на объект сверху), на фиг.5 показаны два положения угломестной антенны (а - вид на объект в направлении движения объекта, б - вид на объект сбоку), на фиг.6 показаны формы лицевого основания антенны (а - прямоугольная, б - эллипсоидальная), выполнение переднего и заднего торцов антенны аэродинамически обтекаемыми (в) и установка экрана, не пропускающего электромагнитное излучение (г). Приложение иллюстрирует физические основы работы антенны бортовой приемной системы.
Система по прототипу (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.
Заявленная система (фиг.2) 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 плоско поляризованного в горизонтальной плоскости электромагнитного излучения, преимущественно от 300 МГц и выше, при этом бортовая приемная система 3 содержит антенну 13 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 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 относительного изменения уровня принятого излучения при изменении положения объекта в горизонтальной плоскости. Блок 19 соединен 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 плоско поляризованного в вертикальной плоскости упомянутого электромагнитного излучения, причем антенна 13 выполнена аналогично упомянутой, но с относительной диэлектрической проницаемостью ε2. При этом блок 19 определения относительного изменения уровня принятого излучения при изменении положения объекта в вертикальной плоскости 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.3) выполнена преимущественно в виде тела, например прямого параллелепипеда или прямого цилиндра 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, обращенному к оси ОХ объекта, 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 антенна выполнена с возможностью ее крепления в заданном положении на объекте (фиг.3, а) 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 OX1 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 чертежах оси, направленные на нас, обозначены 
, а от нас -
.
Для определения угломестного направления на соответствующий маяк антенна выполнена с возможностью ее крепления в заданном положении на объекте (фиг.3, б) таким образом, чтобы поперечная ось антенны OZ1 была параллельна поперечной оси объекта OZ, а положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей OХ1 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.
На фиг.4 для определения азимутального направления на соответствующий маяк показаны два возможных положения антенны по отношению к падающему на нее излучению (а - вид в направлении движения объекта, б - вид на объект сверху).
На фиг.5 для определения угломестного направления на соответствующий маяк показаны два возможных положения антенны по отношению к падающему на нее излучению (а - вид в направлении движения объекта, б - вид на объект сбоку).
На фиг.6 показаны: формы лицевого основания антенны (а - прямоугольная, б - эллипсоидальная); выполнение переднего и заднего торцов аэродинамически обтекаемыми (в) (аэродинамический обтекатель 20); установка экрана, не пропускающего стороннее электромагнитное излучение (г) (экран 21).
Для определенности изложения объект далее называем ЛА, маяк - посадочным радиомаяком (ПРМ), используется электромагнитное излучение радиочастотного диапазона.
Предложенная система работает следующим образом.
Электромагнитный сигнал ПРМ, сформированный средством 2 наземной передающей системы 1 (фиг.2), поступает в бортовую приемную систему 3 на ее антенну 13 с приемным элементом 14 и противовесом 15 и далее по радиокабелю 16 - в приемное устройство 17. В нем в блоке 18 из принимаемого антенной совокупного излучения селектируют излучение ПРМ, например, по его модуляции. В приемном устройстве 17 блок 19 определяет относительное изменение уровня принятого излучения ПРМ при изменении положения ЛА в горизонтальной или вертикальной плоскостях. Информация с блока 19 передается в определитель азимута 6 или 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 ЛА, например, при посадке.
В 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 цилиндрический объем. Это позволяет в n раз уменьшить электрическую длину приемного элемента 14 - несимметричного электрического вибратора в теле антенны с противовесом 15 на тыльном основании тела антенны 13. Например, материалом антенны может служить сегнетокерамика [11. Патент RU 2138102 C1, 20.09.1999]. Для конкретных условий реализации системы при выборе материала антенны необходимо учитывать наличие частотной дисперсии n и тангенса диэлектрических потерь.
Достижение технического результата в предлагаемой системе осуществляется прежде всего за счет эффективного использования законов отражения и преломления электромагнитных волн диэлектриками. В приложении приведены формулы расчета коэффициентов отражения плоско поляризованного электромагнитного излучения при его падении на плоскую поверхность диэлектрика при перпендикулярной (Х3) и параллельной (Y3) поляризациях [12. 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 α=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 заявляемой системе. А именно, на ЛА располагают антенну так, чтобы установочный угол α между ее продольной осью OХ1 и продольной осью ОХ ЛА составлял α=90°-β (фиг.4 и 5). Тогда, если направление падающего излучения совпадает с продольной осью ОХ ЛА, то сигнал на приемном элементе 14 будет максимальным. При отклонении направления излучения от оси ОХ сигнал существенно уменьшается. Производя поворот ЛА до получения максимального сигнала, пилот, тем самым, ориентирует ЛА на ПРМ. При этом в блоке 4 определяется угол рассогласования между заданным курсом аэродрома (аналогично, глиссадой) и продольной осью ОХ ЛА. Пилот (или автоматика), производя необходимое управление, уменьшает этот угол рассогласования до максимально допустимого 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 увеличения уровня сигнала на приемном элементе 14 можно увеличить продольные размеры лицевого основания антенны. Для предотвращения попадания на антенну стороннего излучения она снабжена боковыми и тыльным экранами, непрозрачными для электромагнитного излучения. Также для защиты лицевого основания антенны на нее может быть нанесен защитный слой, прозрачный для излучения ПРМ (показан на фиг.6 утолщенными линиями).
С целью уменьшения аэродинамического сопротивления передний и задний торцы антенны выполнены аэродинамически обтекаемыми (аэродинамические обтекатели 20 на фиг.6). Для предотвращения попадания стороннего электромагнитного излучения на антенну перед ее лицевым основанием установлен и закреплен с зазором параллельно оси OX ЛА не пропускающий электромагнитное излучение экран 21 (фиг.6, г), а для предотвращения попадания на антенну отраженного от этого экрана излучения по крайней мере со стороны, обращенной к антенне, экран выполнен поглощающим электромагнитное излучение. Может найти применение вариант, в котором экран выполнен с возможностью его продольного перемещения, в том числе для устранения попадания на антенну отраженного от поверхности объекта электромагнитного излучения соответствующего маяка.
Кроме того, как антенна, так и экран могут быть выполнены с подогревом для предотвращения их обледенения.
При определении одновременно азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк передающая система маяка и бортовая приемная система электромагнитных сигналов могут быть выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоско поляризованных в горизонтальной и вертикальной плоскостях неодинаково модулированных электромагнитных излучений. Для этого случая передающая система маяка и бортовая приемная система могут быть выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема электромагнитных излучений как с одинаковыми, так и с неодинаковыми частотами.
С целью повышения точности, например, радиопеленгации или завода объекта на заданную траекторию, в том числе при посадке, система может содержать дополнительно по крайней мере еще один соответствующий маяк, установленный в заданном месте. Например, для осуществления движения объекта над поверхностью Земли в заданной вертикальной плоскости с заданным азимутальным направлением основной и дополнительный маяки устанавливаются на расстоянии L друг от друга на линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью. В этом случае осуществляется завод объекта на линию, соединяющую оба указанных маяка, с большой точностью. При этом передающая система дополнительного маяка может быть выполнена с обеспечением передачи электромагнитного излучения с поляризацией, одинаковой с поляризацией электромагнитного излучения основного маяка, для определения азимутального направления, причем частоты и модуляции электромагнитных излучений передающих систем дополнительного и основного маяков не обязательно одинаковые.
Результативность и эффективность использования предлагаемой системы состоит в следующем.
Изобретение позволяет увеличить точность 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, система всепогодна, возможно использование, как указывалось, одной частоты электромагнитного излучения маяка для ориентации по азимуту и углу места, также для ее реализации возможно применение одного маяка. Система проста в реализации, изготовлении, эксплуатации, ее точность близка к лазерной системе ориентации, в том числе при посадке, но лишена ее недостатков, легко вписывается в другие системы навигации. Возможно быстрое развертывание системы, например, для обеспечения посадки ЛА на временных ВПП.
Таким образом, отличительные признаки заявляемой системы 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 заявленной системы условию "новизна".
Результаты поиска известных решений в области радиопеленгации, радионавигации и связи с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленной системы, 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".
1. Система для определения пространственного положения движущегося 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 движущегося объекта, с использованием электромагнитных каналов связи между бортовым оборудованием объекта и соответствующим маяком, содержащая функционально связанные передающую систему маяка, снабженную средством формирования электромагнитных сигналов, бортовую приемную систему электромагнитных сигналов, соединенную с бортовым блоком, включающим функционально связанные определитель дальности положения объекта, определитель азимута и определитель угла места, соответственно, соединенные с бортовыми датчиками, формирующими данные о скорости и траектории движения объекта, выделенная из бортового блока информация о местоположении летательного аппарата поступает в блок выработки электромагнитных сигналов азимутальной, угломестной и дальномерной информации и информации об отклонении от заданной траектории для визуального отображения в индикаторе и передачи их в блок выработки сигналов управления органами обеспечения изменения пространственного положения объекта, отличающаяся тем, что передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема электромагнитного излучения, преимущественно от 300 МГц и выше, при этом бортовая приемная система содержит антенну, которая заключена в объем, который выполнен в виде прямого параллелепипеда или прямого цилиндра со взаимно перпендикулярными продольной OX1, нормальной OY1 и поперечной OZ1 осями симметрии и лицевым и тыльным основаниями, причем ось OY1 направлена от тыльного к лицевому основанию объема антенны, обращенному к оси ОХ объекта, а оси OX1 и OZ1 образуют совместно с осью OY1 правую систему координат, при этом антенна выполнена из прозрачного для электромагнитных сигналов материала с размещенным в объеме антенны приемным элементом в виде несимметричного электрического вибратора с противовесом на тыльном основании антенны, при этом антенна соединена радиокабелем с приемным устройством, включающим блок селекции по виду модуляции сигналов, соединенным с блоком определения относительного изменения уровня сигналов, функционально соединенным с бортовым блоком.
2. Система по п.1, отличающаяся тем, что при изменении положения объекта в горизонтальной плоскости передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоскополяризованного в горизонтальной плоскости электромагнитного излучения, при этом материал антенны имеет относительную диэлектрическую проницаемость, достаточно большую для указанного электромагнитного излучения ε1, антенна выполнена с возможностью ее крепления в заданном положении на движущемся объекте 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, 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, а упомянутый блок определения относительного изменения уровня принятого излучения соединен функционально с определителем азимута положения объекта бортового блока.
3. Система по п.1, отличающаяся тем, что для определения угломестного направления на соответствующий маяк передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоскополяризованного в вертикальной плоскости электромагнитного излучения, при этом материал антенны выполнен с относительной диэлектрической проницаемостью ε2 и с возможностью ее крепления в заданном положении на объекте таким образом, чтобы поперечная ось антенны OZ1 была параллельна поперечной оси объекта OZ, а положительное направление оси ОХ объекта находилось между положительными направлениями осей OX1 и OY1, образуя с осью OX1 установочный угол α2, а блок определения относительного изменения уровня принятого излучения при изменении положения объекта, соответственно, в вертикальной плоскости соединен функционально с определителем угла места положения объекта бортового блока.
4. Система по п.2 или 3, отличающаяся тем, что относительные диэлектрические проницаемости материалов антенн ε1 и ε2 и соответственно установочные углы α1 и α2 равны или не равны.
5. Система по п.1, отличающаяся тем, что для определения одновременно азимутального и угломестного направлений на соответствующий маяк передающая система маяка и бортовая приемная система выполнены с обеспечением, соответственно, передачи и приема плоскополяризованных в горизонтальной и вертикальной плоскостях неодинаково модулированных электромагнитных излучений с неодинаковыми или одинаковыми частотами.
6. Система по п.1, отличающаяся тем, что лицевое основание антенны выполнено, например, в виде прямоугольника или эллипса, большая сторона или, соответственно, ось которого ориентирована в направлении продольной оси симметрии OX1 антенны, а на лицевое основание антенны нанесен защитный слой, прозрачный для электромагнитного излучения соответствующего маяка, при этом антенна снабжена боковыми и тыльным экранами, непрозрачными для электромагнитного излучения, и ее передний и задний торцы выполнены аэродинамически обтекаемыми.
7. Система по п.1, отличающаяся тем, что перед лицевым основанием антенны установлен и закреплен с зазором параллельно оси ОХ объекта экран, не пропускающий электромагнитное излучение и выполненный с возможностью его продольного перемещения, в том числе для устранения попадания на антенну отраженного от поверхности объекта электромагнитного излучения соответствующего маяка, при этом со стороны, обращенной к антенне, экран выполнен поглощающим электромагнитное излучение.
8. Система по п.1, отличающаяся тем, что она содержит дополнительно по крайней мере еще один соответствующий маяк, установленный в заданном месте, например, для осуществления движения объекта над поверхностью Земли в заданной вертикальной плоскости с заданным азимутальным направлением, основной и дополнительный маяки устанавливаются на расстоянии L друг от друга на линии пересечения поверхности Земли с указанной вертикальной плоскостью.
9. Система по п.8, отличающаяся тем, что передающая система дополнительного маяка выполнена с обеспечением передачи электромагнитного излучения с поляризацией, одинаковой с поляризацией электромагнитного излучения основного маяка для определения азимутального направления, при этом частоты и модуляции электромагнитных излучений передающих систем дополнительного и основного маяков не обязательно одинаковые.
