Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием СРНС 12
1.1 Требования, предъявляемые к точности и надежности навигации транспортных вертолетов на различных режимах полета 12
1.2 Навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС 17
1.3 Внутренние источники помех и факторы внешней среды, влияющие на спутниковую радионавигацию 28
1.3.1 Инструментальные ошибки 28
1.3.2 Влияние атмосферы 29
1.3.3 Многолучевость распространения радиосигнала 30
1.3.4 Ошибки, вызванные погрешностями эфемерид навигационных спутников ----33
1.3.5 Влияние геометрии созвездия навигационных спутников 33
1.3.6 Модельные ошибки при спутниковой радионавигации 34
1.3.7 Влияние сторонних радиосигналов 35
1.4 Влияние конструктивных особенностей вертолета при использовании СРНС 36
1.5 Области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета 38
Выводы по первой главе 42
Глава 2 Модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность спутниковой радионавигации транспортных вертолетов 44
2.1 Модель движения вертолета 44
2.1.1 Системы координат 44
2.1.2 Модель движения вертолета как объекта управления 44
2.1.3 Упрощенные модели движения на типовых режимах полета 47
2.2 Модель учета влияния атмосферных искажений 50
2.2.1 Тропосферные искажения 51
2.2.2 Ионосферные искажения 53
2.2.3 Методика учета атмосферной погрешности на вертолете 58
2.3 Модель учета влияния несущего винта 60
Глава 3 Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации 77
3.1 Экспериментальная установка для исследования влияния несущего винта на точность навигации 77
3.1.1 Назначение и цель эксперимента 77
3.1.2 Критерии подобия условий эксперимента 77
3.1.3 Конструкция экспериментальной установки 81
3.2 План и результаты экспериментальных исследований 85
3.3 Режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию несущего винта на точность навигации 89
3.4 Рекомендации по размещению антенны СРНС на транспортном вертолете 92
Выводы по третьей главе 94
Глава 4 Навигационное обеспечение транспортных вертолетов, основанное на комплексировании ШНО и аппаратуры спутниковой радионавигации 95
4.1 Модели погрешностей измерений ШНО 95
4.2 Выбор и обоснование слабосвязанной схемы комплексирования ШНО и аппаратуры потребителей СРНС 102
4.3 Алгоритм определения систематических ошибок ШНО по сигналам СРНС 111
4.4 Алгоритм фильтрации измерений для типовых режимов полета 114
4.5 Численное исследование точностных характеристик предложенной схемы комплексирования 118
Выводы по четвертой главе 134
Заключение 154
Список используемых источников 156
Приложение
- Навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС
- Области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета
- Режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию несущего винта на точность навигации
- Алгоритм определения систематических ошибок ШНО по сигналам СРНС
Введение к работе
Развитие экономики и государства требует интенсификации грузоперевозок, а так же повышения мобильности граждан. Это приводит к повышению числа воздушных и, в частности, вертолетных перевозок. Зачастую вертолет является единственно возможным средством доставки людей и грузов. В условиях Крайнего Севера, при полетах над водным пространством особенно остро встает проблема навигации и определения местоположения.
В Европейской части России, а так же в других густо населенных районах эта про блема рассматривается в другом аспекте. Необходимым условием успешного функционирования и развития авиации является рациональное использование сил и средств, то есть сокращения времени авиаперевозок за счет уменьшения расхода топлива и горючесмазочных материалов. Это приводит к повышению плотности воздушного движения на кратчайших маршрутах и экономических эшелонах, что вызывает необходимость сужения воздушных коридоров. При этом требования безопасности воздушного движения и экономичности полетов воздушных судов (ВС) вступают в определенное противоречие, что
требует совершенствования систем навигации и управления воздушным движением.
Так же актуальна проблема навигационных определений в Вооруженных Силах и, в частности, в армейской авиации. Опыт ведения боевых действий в Афганистане, в Чеченской республике, в других зонах локальных военных конфликтов показал, что точность определения местоположения непосредственно влияет на время выполнения боевой задачи. Ситуация усугубляется необходимостью выполнения полетов днем и ночью, в любых метеорологических условиях, а так же возможностью изменения полетного задания на маршруте. Щ В настоящее время основу вертолетного парка России составляют различные мо дификации транспортных вертолетов Ми-8 и транспортно-боевого вертолета Ми-24 конструкции КБ Миля и транспортно-боевые вертолеты Ка-27, Ка-26 и Ка-29, конструкции КБ Камова, выполняющие задачи в интересах военно-морского флота. За более чем двадцатилетнюю историю использования этих летательных аппаратов (ЛА), их штатное навигационное оборудование (ШНО) практически не изменилось. Навигационные комплексы на вертолетах отсутствуют, а основным методом местоопределения остается визуальная ориентировка. Учитывая постоянно расширяющийся круг задач, возлагаемых на вертолетную
авиацию, можно определить совершенствование навигационного оборудования вертолета
как первоочередную задачу.
Выход из сложившейся ситуации видится в использовании аппаратуры потребитель лей (АП) спутниковых радионавигационных систем (СРНС). В настоящее время работают две системы: американская - GPS (Navstar) [24] и российская - ГЛОНАСС [22]. Каждая из них воплотила в себя новейшие достижения компьютерных и телекоммуникационных технологий. Современная аппаратура потребителей СРНС - это симбиоз спутниковой системы позиционирования, современной радиосвязи и электронной картографии, позволяющая определять местоположение и скорость летательного аппарата, вычислять расстояния, прокладывать маршруты и отслеживать их соблюдение, получать справки о кар- Р тографических объектах. При этом требуемая точность находится на уровне десятков метров, а степень надежности позволяет на некоторых типах летательных аппаратов (вертолеты, легкие и спортивные самолеты) рассматривать спутниковую систему навигации в качестве основного средства навигации. Опыт постановки АП СРНС на тяжелые транспортные и пассажирские самолеты подтвердил высокую эффективность этих систем и значительно расширил возможности навигационных комплексов ЛА. Сами спутниковые радионавигационные системы относятся к одной из наиболее динамично развивающихся областей радиотехники. Подтверждением этого является эволюция и серьезная модерни- зация системы GPS, создание таких широкозональных дополнений СРНС, как WAAS, EGNOS, MSAS на основе наземных станций контроля и геостационарных космических аппаратов. С их помощью реализуется дифференциальный режим работы спутниковых систем, позволяющий на порядок снизить значения среднеквадратического отклонения (СКО) навигационных параметров. Качественно новым витком в развитии СРНС являются работы стран Европейского Союза по созданию Европейской глобальной спутниковой радионавигационной системы «Галилео».
Переход полностью на спутниковую технологию, позволяющую в принципе ре- шать задачи навигации на всех этапах полета, в нашей стране сдерживается тем, что орби тальная группировка космических аппаратов (КА) отечественной СРНС ГЛОНАСС развернута не полностью, а общедоступность СРНС GPS становится «двоякой» после заявления Министерства обороны США о возможности намеренного загрубления данных системы над тем или иным регионом, в зависимости от внешнеполитической обстановки. При этом важное значение приобретают вопросы комплексирования СРНС ГЛОНАСС с полностью развернутой СРНС GPS и с другими навигационными средствами, в частности, радионавигационными средствами с наземным базированием опорных станций и с инер- циальными навигационными системами.
Применение систем спутниковой радионавигации на российских вертолетах началось с середины 90-х годов, и ограничивалось использованием дешевых приемников, в
основном зарубежного производства, выполняющих простые навигационные задачи и % осуществляющих лишь коррекцию места. В настоящее время, наряду с более современ ными, 12-ти канальными приемниками зарубежного производства (GPS-12, GPS-12XL, GPS-195 фирмы Garmin), проходят испытания российские образцы вертолетных навигационных комплексов, использующих аппаратуру приема СРНС («АБРИС» - ЗАО "Кронштадт"). С учетом перспектив финансирования и внедрения новых типов вертолетов, а так же реальных потребностей вертолетной авиации можно выделить два наиболее вероятных пути внедрения спутниковых систем навигации: Щ 1. Размещение отдельных блоков многофункциональных приемников, предусмат ривающих отображение информации на фоне цифровой электронной карты с выбираемым масштабом и возможности дополнительного определения некоторых навигационных параметров (вектора ветра и др.), работающих автономно от штатного навигационного оборудования вертолета.
2. Ввод АП СРНС в состав штатного бортового оборудования вертолетов на основе комплексирования его со штатными навигационными комплексами курсо-доплеровского
типа.
Одновременно с появлением навигационных приемников на вертолетах, начинает ся теоретическое рассмотрение вопросов их использования, с целью расширения области применения. К таким работам, например, относятся исследования влияния несущего винта (НВ) вертолета на прием радионавигационных сигналов от спутников, проведенные группой ученых во главе с профессором Рубцовым В.Д.; разработка интегрированной навигационной системы, предназначенной для установки на вертолетах UH - 60 A/L "Блэк Хоук" и СН - 47 D "Чинук", включающей GPS приемник и облегченный доплеровский навигационный измеритель, выполненная X. Бьюилом и Л. Олейником; проектирование интег рированной навигационной системы вертолета на базе бесплатформенной инерциальной
навигационной системы, многоканального приемника СРНС и радиолокационной станции для решения задачи огибания рельефа местности на предельно малых высотах полета, проведенное группой авторов под руководством Красилыцикова М.Н. Однако, в выполненных в этой области работах не были рассмотрены следующие вопросы: влияние конструктивных особенностей вертолета при использование соосной схемы с двумя НВ, а также отличие номинальных режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов летательных аппаратов (ЛА), что существенно влияет на прием навигационных
сигналов АП СРНС; оценка эффективности комплексирования спутниковых навигацион ных приемников со штатной навигационной аппаратурой курсо-доплеровского типа; навигационное обеспечение задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета.
Таким образом, актуальность темы исследования обусловлена:
Во-первых, повышением роли вертолетной авиации как наиболее эффективного средства доставки людей и грузов в места с ограниченными размерами взлетно-посадочными полос или на необорудованные площадки и следовательно, расширением круга задач, решаемых с помощью вертолетов.
Во-вторых, перспективой существенной модернизации имеющихся вертолетных навигационных комплексов в связи с возрастанием требований по точности, надежности и доступности навигационного обеспечения авиации и вертолетов.
В-третьих, необходимостью рассмотрения вопросов оценки эффективности использования аппаратуры потребителей СРНС на вертолетах, исходя из их конструктивных особенностей.
В-четвертых, отличием режимов полета вертолета и условий его эксплуатации от других типов ЛА, что существенно влияет на прием навигационных сигналов аппаратурой СРНС.
Поэтому необходимо рассмотрение вопросов применения спутниковой радионавигации на транспортных вертолетах с целью повышения эффективности использования перспективных методов навигационного обеспечения полетов, исходя из специфики задач и условий их эксплуатации.
Объектом исследования является навигационное обеспечение российских транспортных вертолетов при использовании аппаратуры СРНС.
Предмет исследования: принципы и алгоритмы комплексирования ШНО вертолета с аппаратурой СРНС, расширяющие области использования вертолета, повышающие безопасность его эксплуатации и качество решаемых задач.
Цель исследования: повышение точности и надежности навигации транспортных вертолетов за счет комплексирования ШНО и АП СРНС с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Анализ проблемы навигации транспортных вертолетов с использованием СРНС.
2. Разработка модели влияния основных возмущающих факторов на точность и надежность СРНС транспортных вертолетов.
3. Экспериментальное исследование влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации.
4. Разработка схемы и алгоритма комплексирования штатного навигационного оборудования и аппаратуры потребителей спутниковых радионавигационных систем.
. 5. Разработка навигационного алгоритма для выполнения вертолетом задачи транспор- . тировки груза на внешней подвеске при использовании АП СРНС.
Методические и научно-теоретические основы исследования при решении перечисленных задач использовались методы системного анализа, прикладные методы теории вероятностей и теории случайных процессов, методы оптимальной фильтрации и математического моделирования, положения теории подобия. При выполнении работы проведены полунатурные эксперименты с последующей обработкой полученных результатов с помощью теории случайных процессов. • Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Разработана математическая модель влияния несущих винтов вертолета соосной схемы на прием сигналов антенной спутникового навигационного приемника на основе известной модели влияния НВ традиционной схемы.
2. Разработана модель и методика учета атмосферных искажений, которые, в отличие от существующих позволяют вычислять аналитические поправки псевдодальности и псевдоскорости применительно к рассматриваемым режимам полета вертолета.
3 Разработан алгоритм навигационного комплексирования спутникового приемника и штатного навигационного оборудования вертолета курсо-доплеровского типа, и соответствующая функциональная схема.
4. Разработан алгоритм навигационного обеспечения при решении задачи транспортировки груза на внешней подвеске вертолета, основывающийся на принципах относительной спутниковой радионавигации, и соответствующая схема.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Математическая модель влияния несущих винтов соосной схемы и результаты экспериментальных исследований влияния несущего винта вертолета традиционной схемы
на прием сигналов АП СРНС.
2. Схема комплексирования штатного навигационного оборудования вертолета со спутниковым навигационным приемником и алгоритм навигационных определений.
3. Алгоритм навигации при транспортировке грузов на внешней подвеске вертолета.
4. Рекомендации по повышению точности и надежности навигационных определений при использовании на вертолете АП СРНС.
Практическая значимость исследования: 1. По результатам исследований выработаны практические рекомендации по разме- щению и использованию АП СРНС на вертолете, учет которых позволит повысить точ ность и надежность навигации.
2. Создание навигационных комплексов на основе предложенных алгоритма и схемы комплексирования штатного оборудования и СРНС обеспечит летчика навигационной
информацией на качественно новом уровне, позволяющем решать практически все типы задач, возлагаемые на вертолеты.
3. Применение алгоритмов определения взаимного положения на основе двух навигационных приемников повысит безопасность транспортировки грузов на внешней подвеске вертолета.
Достоверность и обоснованность диссертационного исследования диссертационно- го исследования обеспечивается корректностью математической постановки задачи, стро гостью применяемых методов решения и обоснованностью методики проведения экспериментов, сопоставлением полученных численных результатов экспериментальных исследований с результатами статистического моделирования.
Апробация результатов исследования и основные публикации.
Основные научные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:
XIII Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения бое- вой готовности, боевого применения, технической эксплуатации и обеспечения безопасности полетов ЛА с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока» (г. Иркутск, 2003 г.);
— VII Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Королевские чтения» (г. Самара, 2003 г.)
— X, XI, XII Всероссийских научных семинарах по управлению движением и навигации летательных аппаратов (г. Самара, 2001 г., 2003 г., 2005 г.);
— XIV Международном научном семинаре по современным технологиям в задачах управления, автоматики и обработки информации (Алушта, 2005 г.).
Основные теоретические положения, разработки и рекомендации, полученные в ходе выполнения работы, реализованы в научно-исследовательских работах и учебном процессе Сызранского высшего военного авиационного училища летчиков (военном институте), учебном процессе Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика СП. Королева.
Основные научные положения, наиболее важные результаты и выводы, содержащиеся в работе, опубликованы в девяти работах. Структура, объём и содержание диссертации.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения и списка литературы, содержащего 103 наименования. Объем диссертации составляет 194 страницы.
Во введении рассмотрена актуальность темы исследований и поставлена цель рабо ты, заключающаяся в повышение точности и надежности навигации транспортных верто летов за счет комплексирования ШНО и АП СРНС с учетом их конструктивных особенностей и условий эксплуатации. Определены задачи исследований, научная новизна, объект и предмет исследований, теоретическая и практическая ценность работы. Вьщвинута основная рабочая гипотеза. Приведены результаты, выносимые на защиту, методы исследований, апробация результатов работы и основные публикации автора по теме диссертации, а также структура, объем и содержание диссертации.
• Первая глава посвящена анализу проблемы навигации транспортных вертолетов с
использованием спутниковых радионавигационных систем. Рассмотрены требования, предъявляемые к точности и надежности навигации транспортных вертолетов, навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС, а так же области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета. Проанализированы факторы внешней среды и конструктивные особенности вертолета, отрицательно воздействующие на спутниковую радионавигацию. Во второй главе представлена система математических моделей, включающая мо дель движения вертолета и модели влияния основных возмущающих факторов на точ ность и надежность СРНС транспортных вертолетов: модель учета влияния атмосферных искажений, модель учета влияния несущего винта.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию влияния основных возмущающих факторов на точностные характеристики навигации. Приводится описание экспериментальной установки по исследованию влияния несущего винта вертолета, выбранные критерии подобия установки и реального несущего винта, результаты экспериментальных исследований и их сравнение с известными теоретическими результатами.
Определены режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию несущего
винта на точность навигации. Для уменьшения этого влияния приводятся рекомендации по размещению приемной антенны на вертолете.
В четвертой главе рассмотрены вопросы навигационного обеспечения транспортных вертолетов, использующего принципы комплексирования ШНО и аппаратуры спутниковой радионавигации. Приводятся модели погрешностей навигационного оборудования. Для слабосвязанной схемы комплексирования штатного навигационного оборудования и аппаратуры потребителей СРНС разрабатывается алгоритм определения коэффици ентов систематических ошибок ШНО. На основании уравнений фильтра, составленных
для типовых режимов полета, методом Монте-Карло проводится статистическое исследо
вание повышения точности предложенной схемы комплексирования и алгоритмического обеспечения.
В пятой главе исследуется возможность применения спутниковой радионавигации при выполнении вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске. Приводится общая характеристика задачи транспортировки груза на внешней подвеске. Обосновывается выбор алгоритма относительной спутниковой навигации применительно к рассматриваемой задаче. Методами статистического моделирования оценивается эффективность использования спутниковой радионавигации при выполнении вертолетом задачи транспортировки груза на внешней подвеске.
В заключительной части работы представлены основные результаты и выводы, полученные в ходе диссертационных исследований.
Термины, определения и сокращения, а также условные обозначения, использованные при изложении содержания работы, являются общепринятыми и соответствуют действующим стандартам.
Навигационное обеспечение вертолетов и возможное использование информации от СРНС
Для составления более полной картины текущего состояния навигационного обеспечения вертолетов необходимо дать характеристику штатного навигационного оборудования. В настоящее время навигационное оборудование вертолета МИ-8Т(МТ) включает [93, 21]: курсовую систему ГМК-1А, авиагоризонт АГБ-ЗК, авиационный магнитный ком пас КИ-13К, барометрический высотомер ВД-10К, указатель скорости УС-450К, радиовысотомер малых высот РВ-3 (А-037), доплеровский измеритель вертолетный ДИВ-1, ва риометр ВР-10МК, автоматические радиокомпаса АРК-9 и АРК-У2 (АРК-УД), авиационные часы АЧС-1, автопилот АП-34Б. К пилотажно-навигационному оборудованию вертолета Ми-24 (Ми-8МТ, Ми-8МТВ) относятся [93, 95]: указатель скорости УС-450К, вариометр ВАР-ЗОМК, часы АЧС-1, компас КИ-13К, курсовая система "Гребень-1", малогабаритная гировертикаль МГВ-1СУ, командно - пилотажный прибор ПКП-72М, указатель крена и тангажа УКТ -2, радиовысотомер РВ-5, доплеровский измеритель скорости и угла сноса ДИСС-15, автоматические радиокомпаса АРК-15М и АРК-У2 (АРК-УД), автопилот ВУАП-1. Характеризуя вышеперечисленное навигационное оборудование, подробнее опишем погрешности приборов, а также режимы полета, на которых АП СРНС используется как основное средство навигации. Курсовая система ГМК-1А ("Гребень-1") предназначена для определения и указания летчику курса и углов разворота вертолета, а также для выдачи сигналов, пропорциональных курсу и углам разворота, бортовым потребителям.
Принцип действия курсовой системы основан на совместном использовании свойств трехстепенного курсового гироскопа с индукционным датчиком курса. Датчик осуществляет начальную выставку гироагрегата по магнитному или истинному курсу. В свою очередь, гироагрегат усредняет и запоминает показания датчика - корректора. Гиро-агрегат выдает электрические сигналы пропорциональные курсу и углам разворота на указатели курсовой системы УГР - 4УК (РМИ - 2) и в автопилот АП - 34Б (ВУАП - 1). Курсовая система включается после запуска двигателей и работает на всех режимах полета, включая особые случаи. Курсовая система может работать в следующих режимах: 1. Режим гирополукомпаса (ГПК)- выдерживание ортодромического курса. 2. Режим магнитной коррекции (МК) - согласование по магнитному курсу. 3. Режим задатчика курса или начальной выставки гироагрегата (ЗК) - установка заданного условного (ортодромического) курса для последующей работы курсовой систе мы в режиме ГПК. 4. Режим контроля - для проверки работоспособности курсовой системы в режиме МК. Авиационный магнитный компас КИ - 13К предназначен для определения и указания летчику компасного курса вертолета. Принцип действия магнитного компаса основан на свойстве свободно подвешенного магнита устанавливаться в плоскости магнитного меридиана Земли.
Средневолновый автоматический радиокомпас АРК-9 (АРК-15) предназначен для измерения курсовых углов приводных радиостанций. Радиокомпас обеспечивает решение следующих задач вертолетовождения: — полет на приводную радиостанцию пассивным и активным способом; — вывод вертолета в заданный район полетом от приводной радиостанции; — контроль пути по направлению и дальности; — определение магнитного пеленга радиостанции с использованием прибора указывающего компасный курс; — определение места вертолета по двум приводным радиостанциям; — сбор вертолетов за облаками; — расчет и заход на посадку в сложных метеоусловиях; — работу в качестве связного радиоприемника на случай отказа бортовых средств радиосвязи для приема команд руководителя полетов подаваемых через приводную радиостанцию. Принцип действия автоматического радиокомпаса основан на использовании свойств комбинированной антенной системы (ненаправленной открытой антенны и направленной рамочной антенны). Радиокомпас работает на всех режимах полета и обеспечивает выдачу информации обоим летчикам на указатели УГР - 4УК (РМИ - 2). Однако на работу радиокомпаса в полете оказывают влияние облачность, осадки, а также "береговой", "ночной" и "горный" эффекты. Облачность и осадки оказывают влияние на точность пеленгования радиокомпасом в случаях, когда вертолет находится в кучевых или кучево-дождевых облаках. Стрелка указателя курса при этом может колебаться в пределах +/-20 с периодом 5 с. При полете на расстояние до 2 км от центра грозы стрелка указателя может отклоняться от действительного пеленга до 20 в сторону центра грозы. При полете в осадках стрелка может колебаться в пределах +/-40. "Ночной" эффект проявляется за 1-2 часа до восхода и 1-2 часа после захода солнца, в результате одновременного приема радиокомпасом прямого излучения от приводной радиостанции и отраженного излучения от ионосферы. Это приводит к колебаниям стрелки указателя курса в пределах +/-30 и более. В ночные часы ошибки достигают величины 10-15. По мере приближения к пеленгуемой радиостанции влияние "ночного" эффекта уменьшается и почти не сказывается. "Горный" эффект возникает при полетах в горных районах на расстоянии не более 25-30 км от гор, и на высоте менее 1500 м над вершинами за счет приема радиокомпасом переотраженных горами радиоволн. Эта ошибка может вызывать либо стабильную погрешность в показаниях АРК, либо неустойчивую работу радиокомпаса. Максимальная ошибка радиопеленгования до +/-25. "Береговой" эффект - это изменение направления распространения радиоволн (явление преломления) при пересечении радиоволн береговой черты (границы раздела двух сред: суши и моря) вследствие различия электрических свойств над сушей и морем. Ошибки, вызванные "береговым" эффектом, могут достигать 5 - 8. Кроме того, при пролете приводной радиостанции вследствие наличия нерабочей зоны ("воронки") над приводной радиостанцией наблюдаются неустойчивые показания радиокомпаса. Радиус "воронки" примерно равен высоте полета вертолета. Ошибки радиопеленгования (колебания стрелки указателя курса) достигают 40. Погрешность в определении магнитного курса курсовой системой или, другими словами, боковое уклонение (БУ), равное +/-1,5 при маршрутном полете по приборам, в СМУ или в безориентирной местности дает линейное боковое уклонение (ЛБУ) на расстоянии в 50 км — 1,3 км , 80 км - 2,1 км , 100 км — 2,6 км. Это приводит к перерасходу то плива и опозданию по времени. Совместно с курсовой системой на указатели от автома тического радиокомпаса выдается электрический сигнал, пропорциональный курсовому углу радиостанции с погрешностью определения +/-(2 - 3). Учитывая дальность приема сигнала от ближнеприводной радиостанции ПАР-9 (Smax = 90 км) получаем среднеквадра-тическую ошибку в определении места вертолета (MB) - 4 км. Дублирующим прибором для курсовой системы является магнитный компас КИ-13К. Его погрешности аналогичны, но он не обеспечивает выдачу курса в канал направления автопилота, резко сужает возможности летчика по маневрированию (нормальная работа при кренах не более +/-17) и практически не работает в районах искусственных и естественных магнитных аномалий. Точность определения курса современными образцами навигационной аппаратуры потребителей находится в пределах +/- 0,5.
Области предпочтительного использования навигационного оборудования на различных режимах полета вертолета
В данном аспекте, интересным видится рассмотрение возможностей штатного навигационного оборудования на различных скоростях и высотах полета, а так же определение степени участия спутниковых навигационных систем в выработке общего массива требуемой навигационной информации, при условии комплексного использования имеющегося оборудования. Для более глубокого понимания причин возрастания требований к точности и надежности навигационного обеспечения вертолета проводится детализация возможных режимов полета при наложении рассматриваемых высотно-скоростных ограничений.
Весь диапазон высот и скоростей полета транспортного вертолета можно условно разделить на три области (рис. 1.2). Значения разграничивающих асимптот выбираются не случайно. Скорость 50 км/ч - является переходной между двумя режимами обтекания несущего винта: осевым и косым. Кроме того, эта скорость является минимально допустимой, при выполнении на вертолете горизонтального полета. Высота 50 метров выбирается из соображений тактико-технических характеристик работы штатного навигационного оборудования вертолета. С высоты 50 метров и ниже начинает сказываться влияние воздушной подушки от НВ вертолета. Из-за этого показания аэрометрических навигационных приборов не устойчивы и пользоваться ими не рекомендуется.
Режимы полета, находящиеся в данной области, в основном используются для выполнения взлета и посадки по-вертолетному. К ним относятся [12,81,47]: висение; перемещение у земли; подлет; разгон скорости на взлете.
Взлет и посадка по-вертолетному (в том числе и в сложных метеорологических условиях) относятся к штатным режимам полета вертолета, в значительной мере обуславливающим его преимущество над другими типами летательных аппаратов. При выполнении взлета по-вертолетному одним из элементов является зависание на высоте 2-5 метров выше высоты препятствия. При невозможности выполнения взлета над препятствием (высота препятствия велика) выполняется подлет - перемещение на висении со скоростью не более 10 км/ч. При выполнении посадки по-вертолетному подлет и зависание являются обязательными элементами. Сложные метеорологические условия (СМУ) подразумевают, что полеты выполняются в условиях ограниченной видимости, либо невидимости земли. Таким образом, элементы посадки и взлета по-вертолетному являются частными случаями полета на висение и перемещение у земли.
Полет на висение является одним из основных и наиболее используемых видов полета вертолета. Он используется при решении практически всех типов задач и выполняется в любое время суток в любых метеорологических условиях, на высотах от 0 до высоты статического потолка данного типа вертолета. Особенности полета на висение вне видимости земли (ночью либо в СМУ): высота до 50 метров определяется по радиовысото меру; при перемещении на висении горизонтальная скорость не более 20 м/с, скорость разворота не более 12%ек для вертолета Ми-8 и 187сек для Ми-24; при перемещении го ризонтальная скорость определяется по доплеровскому измерителю.
Таким образом, пилотирование на рассматриваемых в данной области режимах характеризуется повышенными требованиями к точности навигационного обеспечения, и в первую очередь к определению высоты и координат вертолета относительно земной поверхности. В то же время, возможности по использованию штатного навигационного оборудования в этой области значительно ограничены. Из-за влияния воздушной подушки от несущего винта вертолета, показания аэрометрических приборов (высотомера - ВД-10К и указателя скорости - УС-450) не устойчивы и обладают большой погрешностью. Допле-ровский измеритель (ДИСС-15) работает только в режиме стабилизации на висении. Устойчивые показания выдают: курсовая система (ГМК-1 А, «Гребень»), радиокомпас (АРК) и радиовысотомер, при условии отсутствия негативных факторов, влияющих на распространение радиоволн (крупногабаритного груза на внешней подвеске, снежного покрова большой толщины и др.).
Рассматриваемый диапазон высот и скоростей используется исключительно для решения боевых и специальных задач, и подразумевает под собой полеты на предельно малых высотах с огибанием рельефа местности ниже минимально безопасной высоты. При выполнении этого вида полетов могут использоваться следующие режимы [12,81,47]: горизонтальный полет; маневр скоростью (разгон, торможение); вираж, разворот.
К полетам на предельно малых высотах (ПМВ) относятся полеты, выполняемые на высотах до 200 метров над рельефом местности или водной поверхностью. Нижняя граница предельно малых высот зависит от типа вертолета, условий выполнения полета и уровня подготовки командира экипажа. Вертолетовождение на ПМВ имеет свои особен ности и характеризуется: трудностью ведения визуальной ориентировки; уменьшением дальности действия связных и радионавигационных средств; изменчивостью скорости и направления ветра в зависимости от рельефа местности; усложнением техники пилотирования вертолетом.
Трудность ведения визуальной ориентировки обуславливается перспективным на блюдением ориентиров, уменьшением дальности видимости и сокращением времени их наблюдения. Перспективное наблюдение ориентиров приводит к искажению их видимых форм и размеров, что затрудняет их распознавание и создает непросматриваемые участки местности. Ошибка в определении плановых координат может привести к невыходу вер толета в заданную точку в заданное время.
В основе пилотирования вертолета на ПМВ днем в простых метеорологических условиях (ПМУ) лежат правила визуального полета с контролем по приборам, ночью и в СМУ - правила полета по приборам с контролем визуально.
Таким образом, необходимыми условиями безопасного вертолетовождения, и успешного выполнения поставленной задачи являются: бесперебойная выдача полного вектора навигационных параметров и высокая точность определения истинной высоты поле та. Однако, применение штатного навигационного оборудования при полете на ПМВ так же имеет свои особенности: 1. Показания барометрического высотомера, аналогично предыдущей области, не используются. 2. Высота полета определяется и выдерживается (при полетах визуально - контролируется) по радиовысотомеру. Его технические характеристики вполне удовлетворяют требованиям точности определения истинной высоты, но оставляют желать лучшего с точки зрения надежности. Показания радиовысотомера неустойчивы при полетах над лесными массивами, водной поверхностью и пересеченной местностью, а также при больших зна чениях углов крена и тангажа вертолета. 3. На режиме косой обдувки несущего винта (V 50 км/ч) воздушная подушка «отстает» от вертолета. Это делает возможным использование данных указателя скорости. 4. Курсовая система и доплеровский измеритель работают в своих штатных режимах, без каких-либо ограничений.
Режимы полета вертолета, критические по отношению к влиянию несущего винта на точность навигации
Таким образом, в предыдущем параграфе, на основании результатов экспериментальных исследований, был сделан вывод о том, что конструктивная особенность вертолета - наличие несущего винта, при расположении приемной антенны под плоскостью вращения, оказывает влияние на обработку сигналов аппаратурой потребителей спутниковых радионавигационных систем. При детальном рассмотрении характера и величины по грешности, вносимой несущим винтом, были проведены аналогии с результатами компьютерного моделирования на основании теоретических выкладок, приведенных выше. Теперь, зная навигационные параметры и характеристики аппаратуры, подверженные влиянию несущего винта, а так же средние величины вносимых ошибок, целесообразно определение режимов полета вертолета, на которых рассматриваемые погрешности будут оказывать наибольшее влияние. С точки зрения практического использования вертолета, па губное влияние несущего винта проявляется как: уменьшение количества работающих спутников из числа видимых; увеличение погрешности вычисления горизонтальных координат и высоты полета, при чем ошибка вычисления высоты значительно больше; появление дополнительной составляющей вектора скорости, переменной по направлению в горизонтальной плоскости, и направленной вниз - в вертикальной (эффект псевдоснижения).
В сравнении со штатным навигационным оборудованием вертолета, величины рас сматриваемых погрешностей не велики, и на основных режимах полета летчик может ис пользовать систему спутниковой навигации без каких-либо поправок на конструктивные особенности. Однако, при решении вертолетами специфических задач, на отдельных этапах их выполнения, появляются режимы полета, на которых погрешность навигационных определений, вызванная экранированием приемной антенны плоскостью вращения НВ, может оказать существенное влияние. К таким режимам относятся: полеты на предельно малых высотах; полеты на висение и перемещение у земли в условиях отсутствия видимости земной поверхности; взлет и посадка по-вертолетному ночью или в сложных метеорологических условиях; полеты в горах либо в условиях естественной городской застройки.
При полетах на предельно малых высотах наиболее негативное воздействие оказы вает погрешность определения высоты. Ряд задач, решаемых в первую очередь транс портно - боевыми вертолетами, предусматривает выполнение полетов с огибанием релье фа местности при значениях истинных высот - менее 50 метров. Летчик осуществляет контроль безопасной высоты визуально, а в условиях отсутствия видимости земли - по приборам. В этом случае дополнительная ошибка в десяток метров может привести к столкновению вертолета с земной поверхностью.
Выполнение полетов на висение и перемещение у земли требует от летчика постоянного выдерживания горизонтальных координат, высоты и полного вектора скорости с точностью до единиц метров. В условиях отсутствия видимости земной поверхности изменение навигационных параметров отслеживается по приборам. Поэтому погрешности, вызванные влиянием НВ, могут существенно осложнить выполнение данного типа полетов. Наибольшее влияние в этом случае будет оказывать дополнительная составляющая вектора скорости. Летчик будет парировать несуществующие отклонения по скорости, которые к тому же будут постоянно скачкообразно меняться по направлению. Это приведет к раскачке и опрокидыванию вертолета.
Взлет и посадка по-вертолетному (в том числе ночью и в СМУ) относятся к штатным режимам полета вертолета, в значительной мере обуславливающим его преимущество над другими типами летательных аппаратов. При выполнении взлета по-вертолетному одним из элементов является зависание на высоте, превышающей высоту препятствия на 2-5 метров. При невозможности выполнения взлета над препятствием (высота препятствия велика) выполняется подлет - перемещение на висении со скоростью не более 10 км/ч. При выполнении посадки по-вертолетному подлет и зависание являются обязательными элементами. СМУ подразумевает, что полеты выполняются в условиях ограниченной видимости либо не видимости земли. Таким образом, элементы посадки и взлета по-вертолетному являются частными случаями полета на висение и перемещение у земли. Влияние погрешностей навигационных определений, вызванных наличием НВ, будет аналогично выше рассмотренному.
В настоящее время практически все образцы современной аппаратуры потребителей СРНС работают по сигналам обеих систем (GPS + ГЛОНАСС). В каждый момент времени в зоне видимости потребителя находится от 8 до 11 спутников. Поэтому уменьшение количества работающих спутников на 2-3 из-за влияния НВ никак не влияет на показатель целостности приемоиндикатора. При выполнении полетов в горах (в условиях городской застройки ) естественные или искусственные препятствия закрывают антенне приемника часть обозреваемой небесной сферы. Количество видимых спутников значительно уменьшается. В таких условиях воздействие помехи от НВ может привести к уменьшению числа работающих навигационных спутников менее четырех и прекращению вычислений высоты (переход к двухмерной навигации), либо полному окончанию сеанса навигации (при количестве спутников менее трех).
Алгоритм определения систематических ошибок ШНО по сигналам СРНС
Суммарная погрешность формируемого вектора фазовых переменных определяется точностью ШНО и периодичностью коррекции ШНО от СРНС. При этом точность ШНО повышается с каждым последующим шагом уточнения коэффициентов, а периодичность коррекции AtKop обуславливается мощностью вычислителя, частотой выдачи навигационных параметров от АП СРНС и заданным временным интервалом. На последующем этапе полета [tnp;tK] реализуется установившийся режим системы - вычисление навигационных параметров основывается на данных от ШНО. Малое значение суммарной погрешности An вектора фазовых переменных обуславливается высокой точностью определения коэффициентов систематических погрешностей ШНО. Периодическая коррекция данных ШНО по СРНС устраняет случайные погрешности.
В момент времени t отключается спутниковый навигационный приемник. Далее, во всем временном интервале работают только штатные средства навигации, но точность их выше, чем точность ШНО в традиционной схеме навигационных определений (рис.4Л). Во-первых, суммарная погрешность An будет накапливаться с меньшей интен сивностью, так как рассчитаны коэффициенты систематических погрешностей ШНО. Во вторых, повышение точности достигается за счет отсутствия первоначальной ошибки оп ределения параметров Апноп, а величина начального значения близка к погрешности АП СРНС Q.. Интенсивность накопления ошибки будет зависеть от точности значений коэффициентов погрешностей ШНО, рассчитанных в вычислительном устройстве. Поэтому наиболее благоприятным является вариант, когда отключение СРНС произошло на установившемся режиме работы системы, то есть:
С точки зрения практического использования предлагаемой схемы комплексиро-ванного навигационного блока на вертолете, полезным является определение характери стик вычислительного устройства: времени выхода системы на установившийся режим работы и точности определения коэффициентов систематических погрешностей ШНО.
В предыдущем параграфе был сделан вывод о том, что уменьшение численного значения суммарной погрешности комплексированной системы в большой степени обуславливается расчетом коэффициентов систематических погрешностей ШНО. Поэтому интересным видится более детальное рассмотрение работы вычислительного устройства с целью определения главных моментных характеристик коэффициентов.
Структурная схема работы вычислительного устройства по определению коэффициентов систематических погрешностей ШНО представлена на рисунке 4.6. Совокупность навигационных параметров полета от спутникового радионавигационного приемника поступает в линеаризованный фильтр Калмана. Здесь происходит их уточнение с целью получения значений, принимаемых в дальнейшем за истинные. Уравнения фильтра Калмана для оценки вектора фазовых переменных вертолета по измерения от АП СРНС имеют вид:
В дополнение к приведенным моделям, следует отдельно остановиться на работе вычислительного устройства при определении истинного значения истинной высоты по лета - ucm . В блок вычисления систематических погрешностей вычислительного устройства от барометрического высотомера поступает значение абсолютной высоты полета. Разность этого значения и значения истинной высоты полета от радиовысотомера дает высоту рельефа, выдаваемую спутниковому навигационному приемнику.
На основании собственных данных об абсолютной высоте и полученной высоте рельефа в спутниковом навигационном приемнике рассчитывается значение истиной высоты полета, выдаваемое на линеаризованный фильтр Калмана и предназначенное для определения коэффициента систематической погрешности радиовысотомера.
Рассчитанные коэффициенты систематических погрешностей от вычислительного устройства поступают к датчикам ШНО и используются для компенсации ошибок определения начального положения и уточнения навигационных параметров полета. Модель работы ШНО с учетом поправок имеет вид: параметры ШНО, с учетом корректирующих поправок.
Таким образом, в вычислительном устройстве на основании данных параметров полета от комплексируемого навигационного оборудования происходит уточнение вектора навигационной информации спутникового навигационного приемника и расчет коэффициентов систематических ошибок ШНО. За счет этого повышается точность навигационного обеспечения на всех режимах работы комплексируемой системы.
Для исследования точностных характеристик комплексированной навигационной системы записывается алгоритм фильтрации данных, поступающих с навигационного приемника. Алгоритм фильтрации рассматривается применительно к упрощенной модели движения вертолета на типовых режимах полета. Выбор упрощенной математической модели движения обуславливается тем, что типичное полетное задание транспортного вертолета состоит из типовых режимов (простых маневров) легко математически описываемых. Кроме того, условия эксплуатации навигационного и радиоэлектронного оборудования на вертолете (высокий уровень вибрации, наличие вращающихся винтов) не позволяют использовать аппаратуру с большими вычислительными мощностями. Следовательно, использование громоздких математических моделей, описывающих сложное движение на неустановившихся режимах нецелесообразно. В качестве примера рассматривался типовой полет «Полет в зону на простой пилотаж» [12], включающий в себя все шесть основных режимов (простых маневров), математически определенных во второй главе исследования: горизонтальный полет, вираж, набор высоты (снижение), спираль (восходящая и нисходящая), маневр скоростью (разгон и торможение), висение (рис.4.7).
