Радиосистемы предупреждения столкновений

Одной из особенностей, присущих современной авиационной ситуации, является достаточно высокая плотность воздушного движения, особенно в районах крупных аэропортов. Эта особенность, относящаяся как к военной, так и к гражданской авиации, приводит нередко к возникновению конфликтной обстановки, которая чаще всего характеризуется возможным пересечением самолетных траекторий.

При этом, если указанное пересечение прогнозируется на различных и далеко отстоящих друг от друга по величине высотах полета, то уровень конфликтности имеет здесь весьма малую величину, и необходимость в принятии каких-либо предупредительных мер практически исчезает. Иное дело, если пересечение маршрутов будет, по предположению, происходить при малой разнице высот или в одной плоскости (наихудший случай) – такое возможное событие приобретает высокий уровень конфликтности, поскольку чревато столкновением самолетов, и расценивается как чрезвычайное происшествие, которого необходимо избегать всеми возможными средствами.

Радиосистемы предупреждения столкновений являются одним из основных средств предотвращения гибельного развития конфликта, поскольку позволяют заранее прояснить сложившуюся воздушную ситуацию и выработать сигнал аварийного предупреждения. Разумеется, бортовые радиосистемы предупреждения столкновений (РСПС) нередко работают в радиоконтакте с наземными службами (контрольными пунктами, навигационными радиомаяками, и т. д.), однако, поскольку контролируемое на земном шаре воздушное пространство составляет величину порядка 25%, далее рассматриваются только бортовые РСПС.

Концепция функционирования РСПС в наиболее общем виде состоит в реализации так называемого « - критерия», заключается в вычислении (и индикации) текущего значения интервала времени и сравнению его с заранее определенными пороговыми величинами и .

Рассмотрим процесс нахождения более подробно. Для этого воспользуемся геометрической картиной, изображенной на рис. 3.70.

Пусть траектории двух самолетов, движущихся в одной плоскости прямолинейно и с постоянными скоростями, пересекаются в точке 0 под углом . При этом в начальный момент времени самолет 1 находится в точке , а самолет 2 – в точке . Расстояние между этими точками обозначим , а угол, под которым самолет 2 наблюдается из самолета 1 – как . Тогда в некий следующий момент времени самолет 1, летящий со скоростью , окажется в точке , а самолет 2, перемещающийся со скоростью - в точке . В общем случае из-за различных скоростей отрезок (расстояние между точками и ) не будет параллелен отрезку . Такова исходная геометрическая ситуация.

Выполним дополнительные построения.

Переместим отрезок параллельно самому себе так, чтобы точка совместилась с точкой - тогда новым положением точки окажется точка . Соединим точки и .

Перенесем вектор к вектору ; тогда разностью этих векторов окажется вектор относительной скорости, ориентированный вдоль отрезка . Разложим вектор на две ортогональные составляющие – скорость сближения (вдоль отрезка ) и скорость .

Также можно записать следующие тригонометрические соотношения.

Дл скорости сближения:

для относительной скорости:

(3.86)

для нормальной (ортогональной) составляющей скорости:

(3.87)

для расстояния в произвольный момент времени:

(3.88)

где .

Время , отсчитываемое от момента времени до минимального (в пределах треугольника ) расстояния между самолетами 1 и 2, будет определяться из уравнения и запишется в окончательном виде как

(3.89)

Если изначально-вычисляемую величину рассматривать как минимальное время , то полагая , получим:

(3.90)

Формальный анализ этого соотношения говорит о равноправности влияния и на ; однако, исходя из результатов летной практики, можно сделать вывод, что основным компонентом, влияющим на выбор , как интервала времени до наибольшего сближения, является все же величина . Выражение (3.90) можно трактовать и иначе – наиболее опасной является ситуация, когда и, следовательно, . Правда, при малых значениях алгоритм (3.90) обладает весьма небольшой эффективностью, ибо движение самолетов 1 и 2 происходит по почти параллельным траекториям. Тем не менее, величина является основной при формировании - критерия.

Для получения конкретных значений и (пороговых величин ) воспользуемся выражениями для вычисления длительностей и маневра в вертикальной и горизонтальной плоскостях:

(3.91)

и

, (3.92)

где: - безопасная разность высот самолетов 1 и 2;

- скорость самолета, выполняющего маневр;

- нормальное ускорение в вертикальной плоскости;

- безопасное расстояние в горизонтальной плоскости;

- радиус разворота в горизонтальной плоскости.

При этом величина рассчитывается как

(3.93)

где - угол крена;

- нормальное ускорение в горизонтальной плоскости.

Если в соотношения (3.91)...(3.93) подставить конкретные величины, взятые из традиционной летной практики, то можно найти соответствующие значения для и . В частности, для гражданской авиации ( ) минимальная длительность маневра составляет 20 с, а с учетом реакции пилота и так называемого интервала запаса оно принимается равным 30 с. Поэтому алгоритм работы РСПС согласно - критерию формулируется следующим образом: если в процессе измерения величина окажется равной значению с, самолетами 1 и 2 должно быть начато формирование взаимно – координированных маневров по уклонению от столкновения, а если – равной с, то маневр должен начать выполняться.

При этом, когда текущее значение меньше, чем , на индикаторном табло пилота должен загореться сигнал, запрещающий горизонтальные маневры, а в запросный (излучаемый) радиосигнал включается информация о степенях свободы защищаемого (от столкновения) самолета: вверх (когда свободна верхняя зона пространства), вниз (свободна нижняя полусфера), вверх – вниз (свободны обе области), прямо (обе зоны предупреждения заняты). На указанный запрос сближающийся самолет отвечает радиосигналом, в состав которого включается (соответствующим кодом) рекомендация защищаемому самолету выполнить один из трех маневров – вверх, вниз или прямо. Полученная рекомендация отображается на индикаторе пилота. При на индикатор пилота выдается команда на выполнение маневра. В случае, когда сближающиеся самолеты достигают высоты безопасного расхождения, указанные команды не передаются, а в запросных радиосигналах защищаемого самолета перестают передаваться данные о его степенях свободы.

А. Импульсная запросно-ответная РСПС.

Подавляющее большинство бортовых РСПС работает в запросно-ответном режиме. Это означает, что оценка степени опасности складывающейся воздушной обстановки выполняется на защищаемом самолете по информации, содержащейся в радиосигнала, полученном от облучаемого самолета.

Импульсная запросно-ответная РСПС является, пожалуй, наиболее простой из тех, которые используются в современной авиации. Ее упрощенная структурная схема представлена на рис. 3.71. При этом запросчик располагается на защищаемом самолете, а ответчик – на облучаемой. Рассмотрим принцип работы РСПС.

Формирование радиосигнала, излучаемого запросчиком (рис. 3.71, а), начинается с первого блока 1 синхронизации, к которому нередко добавляется первый шифратор. Синхроимпульс с выхода блока 1 запускает первое радиопередающее устройство 2, вырабатывающее излучаемый радиосигнал. При этом данный радиосигнал заполняется радиоколебанием частоты , поступающим от когерентного гетеродина 3. После этого радиосигнал, прошедший через первый антенный переключатель 4, излучается направленной антенной в пространство.

Антенна бортового ответчика (рис. 3.71, б) принимает поступивший на нее радиосигнал, который далее, пройдя через второй антенный переключатель 5, попадает в первое радиоприемное устройство 6. Затем выходной сигнал этого радиоприемного устройства подается на первый дешифратор 7.

Поясним работу первого дешифратора совместно с устройством 8 сравнения.

Если в аппаратуре запросчика установлен первый шифратор, то высота полета защищаемого самолета, полученная либо от системы воздушных сигналов, либо от барометрического высотомера, вводится в блок 1 и кодируется в первом шифраторе. В этом случае первый дешифратор, расположенный в аппаратуре ответчика, выявляет значение высоты полета защищаемого самолета и подает это значение на один из входов устройства сравнения. Поскольку на второй вход данного устройства вводится величина высоты полета облучаемого самолета, то данное устройство вырабатывает разность высот двух указанных самолетов, и эта разность кодируется во втором шифраторе 9.

Принцип работы шифратора, кодирующего разность высот, поясняется на рис. 3.72. Импульс с выхода второго (рис. 3.71, б) синхронизатора 10 поступает на вход линии 1 задержки (рис. 3.72, а). Величина разности высот от устройства 8 сравнения (рис. 3.72, а) подается на коммутатор 2 (рис. 3.72, а). Тогда на выходе данного коммутатора формируется пара (рис. 3.72, г) видеоимпульсов, расположение которых на оси времени зависит от значения разности высот. Иными словами, каждая из возможных комбинаций двух видеоимпульсов на выходе коммутатора соответствует своему информационному значению («выше», «ниже», «высоты одинаковы»).

С выхода второго (рис. 3.71, б) шифратора 9 кодовая посылка, состоящая из пары (в простейшем случае) видеоимпульсов, поступает на вход второго радиопередающего устройства 11.

Однако, возможен и другой вариант.

Если в аппаратуре запросчика первый шифратор (рис. 3.71, а) отсутствует, то первый дешифратор 7 также отсутствует, а выход первого радиоприемного устройства подан на один из входов устройства сравнения – запросный видеосигнал задает момент измерения высоты полета облучаемого самолета. В этом случае высота полета облучаемого самолета, вводимая во второй шифратор, далее в виде кодированной последовательности видеоимпульсов (шифратор в этом случае оказывается аппаратурно более сложным, чем представленный на рис. 3.72, а) поступает на вход второго радиопередающего устройства.

Затем наступает режим излучения сформированного ответчиком радиосигнала. При этом важной особенностью является изменение (удвоение) частоты заполнения излучаемого (ответного) радиосигнала по сравнению с частотой принятого (запросного) радиосигнала. Указанное удвоение частоты выполняется преобразователем 12 частоты. Сформированный ответчиком радиосигнал подается через второй антенный переключатель на антенну ответчика и излучается в сторону защищаемого самолета.

Принятый от ответчика радиосигнал (его частота заполнения равна величине , где - доплеровская частота) проходит через второе радиоприемное устройство 13 на измерительные блоки:

- на измеритель 14 дальности (определение дальности выполняется обычным импульсным методом, что обусловило использование слова «импульсная» в названии рассматриваемой РСПС);

- на измеритель 15 скорости взаимного сближения защищаемого и облучаемого самолетов (вычисление скорости по выделенной во втором радиоприемном устройстве с участием когерентного гетеродина доплеровской частоте );

- на дешифратор 16 высоты (если в принятом от ответчика сигнале содержится код высоты полета облучаемого самолета – в этом случае дешифратор 16 вычисляет еще и разность высот обоих самолетов, причем высота полета защищаемого самолета поступает от первого синхронизатора) или разности высот (если в принятом от ответчика сигнале содержится код разности высот).

Далее результаты измерений подаются на соответствующие индикаторы: на индикатор 17 дальности , на индикатор 18 скорости сближения и на индикатор 19 разности высот.

Отметим, что помимо индикаторов 17, 18 и 19 результаты измерений подаются еще и на бортовое устройство (на рис. 3.71 не показано) управления полетом, в котором по значениям и определяется по формуле (3.90) величина и сравнивается с пороговыми величинами и , а разность высот служит указанием для снижения, сохранения или набора высоты полета защищаемого самолета.

Б. Асинхронная запросно-ответная РСПС.

Одним из способов обеспечения повышенной точности работы РСПС является использование на борту высокостабильных эталонных генераторов (бортовых «часов»), которые обеспечивают тщательную синхронизацию времязадающих устройств на всех самолетах, входящих в радиовзаимодействие друг с другом. В этом случае используемая РСПС называется синхронной.

Однако, синхронной РСПС присущи два существенных недостатка.

Первый из них связан с технической сложностью и дороговизной создания обширной (на всех самолетах) сети первичных эталонов времени, основанной на использовании атомных стандартов, которые обеспечивают высокую (на два-три порядка лучше, чем у генераторов с кварцевой стабилизацией частоты) относительную долговременную стабильность временных интервалов – порядка ... .

Второй недостаток обусловлен трудностью создания достаточно плотной сети наземных радиосистем, используемых для стабилизации работы самих времязадающих устройств. Во многих случаях этот недостаток преодолевается путем обращения к радиосигналам систем дальней или спутниковой навигации.

Другой разновидностью РСПС, которые нашли широкое применение в авиационной практике, являются асинхронные (в которых отсутствуют высокостабильные эталоны) РСПС. В качестве примера такой РСПС может быть названа отечественная система «Эшелон».

В данной системе используется запросно-ответный принцип. При этом информация о дальности , скорости и разности высот содержится в радиосигнале ответчика.

Отметим, что пространственный маневр защищаемого (от столкновения) самолета может быть представлен в виде совокупности маневров в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Использование « - критерия», как отмечалось ранее, характерно для случая, когда траектории обоих самолетов лежат в одной (чаще всего в – горизонтальной) плоскости. Если же самолетные маршруты выполняются в плоскостях, располагающихся на различных высотах, то применение « - критерия» может привести к созданию ложных сигналов в аппаратуре защищаемого самолета. Поэтому в радиосигнале ответчика должна содержаться информация о разности высот (о зонах местоположения) самолетов.

На рис. 3.73. изображены зоны (по высоте) расположения самолетов для РСПС «Эшелон». Опасной для защищаемого самолета считается зона высот полетов других самолетов, верхняя и нижняя границы которой располагаются на расстоянии (по высоте) 160 м от защищаемого самолета. За пределами опасной зоны (ОЗ) располагаются, прилегая к ней, верхняя зона (ВЗП) предупреждения (ее нижняя граница отстоит по высоте на 160 м от защищаемого самолета, верхняя – 660 м) и нижняя зона (НЗП) предупреждения (с верхней границей, размещающейся на 160 м ниже защищаемого самолета, и нижней границей, находящейся на 660 м ниже защищаемого самолета). Если, судя по радиосигналу ответчика, сближение самолетов осуществляется в пределах опасной зоны, то бортовая аппаратура защищаемого самолета работает в соответствии с « - критерием», вырабатывая сигнал о расхождении самолетов. Если сближающиеся самолеты располагаются, согласно сигналам ответчиков, в верхней или нижней зонах предупреждения, то никакого сигнала о расхождении самолетов не вырабатывается, однако полученная информация принимается к сведению, и радиоконтакт продолжается. Наконец, если сближающиеся самолеты находятся за пределами (выше верхней, либо ниже нижней) зон предупреждения, их бортовые ответчика могут не реагировать на поступление запросных (от защищаемого самолета) сигналов.

Упрощенная структурная схема запросчика асинхронной запросно-ответной РСПС, располагающейся на борту защищаемого самолета, представлена на рис. 3.74.

Антенная система данного запросчика состоит из двух антенн, одна из которых излучает и принимает радиосигналы с частотой заполнения 1597,5 МГц, а вторая – 1602,5 МГц. При этом, с целью создания всенаправленной суммарной диаграммы направленности, одна из антенн располагается сверху, а другая снизу фюзеляжа защищаемого самолета. Это позволяет не только охватывать диаграммой направленности почти сферическую область обзора (см. рис. 3.73), но и суммировать (после обработки в радиоприемных устройствах) принятые сигналы, повышая (на 2,5...3 дБ) этим чувствительность бортовой аппаратуры.

Под воздействием запускающих импульсов синхронизатора 1 шифратор 2 формирует кодовую последовательность (показана на рис. 3.75) импульсов запроса. Эта последовательность подается на первое 3 и второе 4 радиопередающее устройства, а далее, через первый 5 и второй 6 антенные переключатели и затем антенны излучается в пространство (излучаемая мощность порядка 40 Вт).

Указанная запросная последовательность состоит из трех функционально-различных частей, каждая из которых имеет по три кодовых импульса (длительностью любого импульса равна 1 мкс). Первая часть (стартовая последовательность) отделена (для установления четкой границы между частями) от второй части (первая стоповая последовательность) так называемым защитным интервалом . Если стартовая последовательность обозначает для ответчика сближающегося самолета необходимость начать прием конкретного запроса, то первая стоповая последовательность несет в себе командную информацию, причем характер данной информации определяется расположением третьего импульса на той или иной (из шести возможных) временной позиции. После второй части следует новый защитный интервал , отделяющий ее от третьей части (второй стоповой последовательности), в которой (путем различного расположения трех импульсов на временных позициях) закодирована как высота полета, причем интервал высот между смежными величинами указанной высоты составляет 30 м, так и степень свободы (при выполнении вертикальных маневров) защищаемого самолета. По окончании третьей части вновь следует защитный интервал, после которого передается следующая кодовая запросная последовательность импульсов. При этом, чтобы максимально избежать наложения друг на друга кодовых запросных последовательностей, излученных различными самолетами, интервалы между частями (стартовой и двумя стоповыми) и между запросными последовательностями изменяются (с помощью бортовых синхронизаторов) случайным образом. Их ориентировочные значения таковы: средняя величина интервалов между частями составляет 2 мс, а среднее значение периода между запросными последовательностями равно 1 с.

Продолжим рассмотрение работы бортового запросчика (рис. 3.74) защищаемого самолета. Радиосигнал, излученный ответчиком сближающегося самолета, поступает на антенны и далее, через первый 5 и второй 6 антенные переключатели, подается на первое 7 и второе 8 радиоприемные устройства, на выходе которых сумматор 9 осуществляет сложение принятых сигналов.

Определение дальности и скорости сближение происходит в измерительном устройстве 10 – величина находится обычным импульсным методом, а значение вычисляется как приращение измеренной дальности за период следования запросной последовательности импульсов. Что касается разности высот самолетов, то она определяется (после формирования в дешифраторе 11 из ответной кодовой последовательности импульсов) в устройстве 12 сравнения высот (на второй вход этого устройства поступает значение высоты полета защищаемого самолета от системы воздушных сигналов или барометрического высотомера). По результатам, полученным от измерительного устройства, дешифратора и устройства сравнения высот блок 13 вырабатывает управляющие команды для коррекции полета защищаемого самолета. Одновременно измеренные величины подаются на блок 14 индикаторов.

Следует отметить, что запросчик защищаемого самолета через специальный бортовой ответчик (на рис. 3.74 не показан) связан с наземными управляющими пунктами, который информирует их о конфликтных ситуациях и принимаемых по их устранению мерах. Кроме того, на защищаемом самолете имеется переговорное устройство, посредством которого экипаж оповещается о конфликтной ситуации.

Поиск по сайту: